JP4840593B2 - Optical resonance analysis unit - Google Patents

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Description

本出願は、参照により開示が本明細書に組み込まれている2003年8月1日に両件ともに出願された米国特許仮出願第60/492061号明細書および同第60/492062号明細書に対する優先権を主張する。   This application is relative to US Provisional Application Nos. 60 / 492,061 and 60 / 49,2062, both filed on Aug. 1, 2003, the disclosures of which are incorporated herein by reference. Claim priority.

本発明は一般に光学共鳴分析ユニットに関する。特に、本発明は、センサ・アレイの表面上で進行する多数の反応のリアルタイムの分析のための、照明システムおよび検出システムを利用した伝導性格子結合表面プラズモン共鳴画像形成のための改良された機器に関する。   The present invention generally relates to optical resonance analysis units. In particular, the present invention provides an improved instrument for conducting grid-coupled surface plasmon resonance imaging utilizing an illumination system and a detection system for real-time analysis of multiple reactions traveling on the surface of a sensor array. About.

格子結合表面プラズモン共鳴(GCSPR)の動作の基本原理は、特定の波長の光が金属表面に当たると生成される表面電荷振動を利用している。例えば、金などの高反射性金属の薄い(最大80nm)層でコーティングされたプラスチック製光学格子を一般に含むセンサ・チップに、(例えば、抗体などの)特定の結合性分子のアレイが点在されている。このチップが適切な波長、偏光、および、入射角の光により照明されると、光からのエネルギーが金属の電子内に結合して表面プラズモンを励起する際に共鳴状態が引き起こされる。したがって、この共鳴状態は、金属/誘電体界面において金属内の自由電子の伝播発振である。この例において、金属は金層であり、誘電体は、不動化された結合性分子に接触するように金属表面にわたり流された分析されるべき分子を含む水溶液である。表面プラズモンは界面に垂直な電場を有し、この電場に沿って伝播する。プラズモン電場の振幅は界面において最大となり、界面に垂直に指数的に減衰する。誘電体への透過率は励起光の波長に依存し、典型的に100〜300nmの範囲にある。(入射光が表面プラズモン中に結合すると)共鳴状態は入射ビームの反射率の大きな低下により明確にされる。   The basic principle of operation of lattice-coupled surface plasmon resonance (GCSPR) utilizes surface charge oscillations that are generated when light of a specific wavelength strikes a metal surface. For example, a sensor chip that typically includes a plastic optical grating coated with a thin (up to 80 nm) layer of a highly reflective metal such as gold is interspersed with an array of specific binding molecules (eg, antibodies). ing. When the chip is illuminated with light of the appropriate wavelength, polarization, and angle of incidence, a resonant state is created as energy from the light couples into the metal electrons to excite surface plasmons. Therefore, this resonance state is a propagation oscillation of free electrons in the metal at the metal / dielectric interface. In this example, the metal is a gold layer and the dielectric is an aqueous solution containing molecules to be analyzed that are flowed across the metal surface in contact with the immobilized binding molecules. Surface plasmons have an electric field perpendicular to the interface and propagate along this electric field. The amplitude of the plasmon electric field is maximized at the interface and decays exponentially perpendicular to the interface. The transmittance to the dielectric depends on the wavelength of the excitation light and is typically in the range of 100 to 300 nm. The resonance state is clarified by a large drop in the reflectance of the incident beam (when incident light is coupled into the surface plasmon).

溶液からの分子が金属表面上に堆積された材料に結合するに従い、堆積された材料の屈折率が変化し、続いて、この変化がSPR共鳴角のシフトを引き起こす。SPRはセンサ・チップの表面上での分子結合反応の検出のために使用することができる。なぜなら、SPR共鳴状態は金属/誘電体界面における屈折率に依存するからである。したがって、センサ・チップの表面上での分子結合反応は共鳴状態にシフトを引き起こし、このシフトは、実施手法によっては、波長、入射角、または、強度のシフトとしてモニタすることができる。   As molecules from the solution bind to the material deposited on the metal surface, the refractive index of the deposited material changes, which in turn causes a shift in the SPR resonance angle. SPR can be used for detection of molecular binding reactions on the surface of the sensor chip. This is because the SPR resonance state depends on the refractive index at the metal / dielectric interface. Thus, the molecular binding reaction on the surface of the sensor chip causes a shift in resonance, which can be monitored as a shift in wavelength, angle of incidence, or intensity, depending on the implementation.

しかし、多くの試料を並行して測定するための角度走査式アレイ画像形成を採用した現在の格子結合SPR法は、KretchmannのSPR画像形成手法を含む他の角度走査式光学共鳴センサ法と特定の短所を共有している。Kretschmann、Z. Phyzik、241:313−24(1971)を参照されたい。角度走査式アレイSPRに伴う問題の多くは光学系、および、SPRアレイ画像形成がSPR走査に関与した照明角度の範囲を収容するために比較的大きな開口数の画像形成システムを必要とするが、1回の角度走査中の各個別の露光または画像フレームに対しては光が全開口瞳孔の小さな部分に高度に集中されるという事実に関連している。   However, current grid-coupled SPR methods that employ angular scanning array imaging to measure many samples in parallel are not compatible with other angular scanning optical resonance sensor methods, including Kretchmann's SPR imaging method. Share the disadvantages. Kretschmann, Z.M. See Physik, 241: 313-24 (1971). Many of the problems with angular scanning arrays SPR require optics and an imaging system with a relatively large numerical aperture to accommodate the range of illumination angles that SPR array imaging involved in SPR scanning, Associated with the fact that for each individual exposure or image frame during a single angular scan, the light is highly concentrated in a small portion of the full aperture pupil.

SPR検出分析に対して使用されている従来のレンズ設計は「ウォーキング」または「ROIシフト」として知られている走査角度依存性画像欠陥を露呈し、同欠陥において、センサ・チップ上の分析対象領域(ROI)の画像は、照明角度(入射角)が走査されるに従い、検出器表面を横切って移動する。ウォーキングはフィールドの周辺領域において特に明白である。この効果は、開口角およびフィールド半径の双方に依存する各高次収差の組み合わせによるものであり、物体平面が傾けられると助長される。このような収差は従来の高開口数画像形成システムにおいては一般的であるが、全般に許容されるものであり、全ての開口角が同時に存在する際に単にコントラストまたは解像度の損失を引き起こすのみである。しかし、アレイSPRにおいて、このような収差は深刻な問題を提示する。なぜなら、高度に正確な反射率測定は照明角に応じてセンサ・チップ表面上に慎重に規定された位置で行なわれなければならないからである。いずれの1回の露光に対してもレンズ開口瞳孔の小さな部分のみが使用されるが、採用された部分は角度走査中に開口を横切って移動し、それにより、検出器上の画像位置を変更する。   The conventional lens design used for SPR detection analysis exposes a scan angle dependent image defect known as “walking” or “ROI shift” in which the area of interest on the sensor chip is analyzed. The (ROI) image moves across the detector surface as the illumination angle (incident angle) is scanned. Walking is particularly evident in the area surrounding the field. This effect is due to the combination of higher order aberrations that depend on both the aperture angle and the field radius, and is facilitated when the object plane is tilted. Although such aberrations are common in conventional high numerical aperture imaging systems, they are generally acceptable and only cause a loss of contrast or resolution when all aperture angles are present simultaneously. is there. However, in an array SPR, such aberration presents a serious problem. This is because highly accurate reflectance measurements must be made at carefully defined locations on the sensor chip surface depending on the illumination angle. Only a small part of the lens aperture pupil is used for any single exposure, but the adopted part moves across the aperture during angular scanning, thereby changing the image position on the detector To do.

ROIシフト効果は、ROI画像の動きを追跡するように、走査角に応じてROIを含む検出器画素を移動することにより、ソフトウェアにおいてある程度までは補償することができる。ZizlspergerおよびKnoll、Progr.Colloid Polym. Sci.、109:244−253(1998)を参照されたい。しかし、ウォーキング効果に対するこのような事後データ処理補償は、第一に、より正確なデータの生成に対してはさほど好ましくない解決策である。   The ROI shift effect can be compensated to some extent in software by moving the detector pixels containing the ROI as a function of scan angle to track the movement of the ROI image. Zizlsperger and Knoll, Progr. Colloid Polym. Sci. 109: 244-253 (1998). However, such a posteriori data processing compensation for the walking effect is, first of all, a less favorable solution for the generation of more accurate data.

現在のSPRアレイ機器における開口瞳孔の上述の深刻な瞬間的充填不足に伴う別の問題は、様々な光学表面間、特にレンズ要素表面間での多数の反射により引き起こされる「ホット・スポット」または画像フレアの現象である。このような多数の反射は、反射防止コーティングの使用を伴ってさえ全ての多要素屈性性画像形成システムにおいて迷光、および、コントラストの幾分かの損失を引き起こすが、この効果は全般に良性である。しかし、角度走査式SPR画像形成システムにおいては、開口瞳孔の小さな部分における光強度の高度な集中が、検出器表面上の画像フィールドの比較的小さな部分に集中された迷光をもたらす。これらの集中区画が「ホット・スポット」である。さらに、各ホット・スポットは一般に照明角が走査されるに従い画像を横切って移動する。各ホット・スポットの強度は検出器上での直接強度の非常に小さな部分であるが、ホット・スポットは影響を受けるROIに関連した反射率の明らかな低下を大幅に変調することができる。影響を受けたROIは影響を受けていないROIに比較して広範に変化するSPR共鳴角度を有し、このことは、したがって、システムにおける背景雑音の増加をもたらす。   Another problem with the aforementioned severe momentary underfilling of aperture pupils in current SPR array instruments is the “hot spot” or image caused by multiple reflections between various optical surfaces, particularly between lens element surfaces. It is a flare phenomenon. Such multiple reflections cause stray light and some loss of contrast in all multi-element refractive imaging systems, even with the use of anti-reflective coatings, but this effect is generally benign. is there. However, in an angular scanning SPR imaging system, a high concentration of light intensity in a small portion of the aperture pupil results in stray light that is concentrated in a relatively small portion of the image field on the detector surface. These concentrated compartments are “hot spots”. In addition, each hot spot generally moves across the image as the illumination angle is scanned. Although the intensity of each hot spot is a very small portion of the direct intensity on the detector, the hot spot can significantly modulate the apparent drop in reflectivity associated with the affected ROI. An affected ROI has a widely varying SPR resonance angle compared to an unaffected ROI, which therefore results in increased background noise in the system.

文献における他の方法は画像形成を使用しているが、画像形成は走査に依存する擬似信号から損害を被っているか、または、その他では、走査は全体的に回避されている。例えば、ZizlspergerおよびKnoll、infra.は、角度走査がROIのソフトウェア追跡を介して入念に扱われていた巨大なウォーキングをもたらすシステムを説明している。Guedon他は貧弱な画像形成、および、同じく巨大なウォークも示すが、固定角ならびに比較的少なく、かつ、大きなROIの使用を介して補償するシステムを説明している。Guedon他、Anal. Chem.、72:6003−6009(2000)、および、Lyon他、Review of Scientific Instruments、70(4):2076−2081(1999)を参照されたい。別の手法はKnollの特許である米国特許第5442448号明細書の二重格子垂直入射画像形成であるが、このシステムは追加の複雑さを導入する。しかし、固定角システムおよび波長システムは非常に限られたダイナミック・レンジを有し、かつ、光源の強度変動の影響を受けやすい。例えば、前述の技術のいずれも、ソフトウェア補償を使用してさえ、ロゴもしくは他の小さな識別子または指標構造物、あるいは、センサ表面上の小さなROIさえも読むために十分良好な画像を得ることができない。剥き出しの金属センサ表面を示す参照ROIに対する不動化された反応物質を示す目標ROIの比較を伴う目標ROIおよび参照ROIのアレイに対する共鳴角の検出を必要とする本明細書において考えられている如くのシステムにおいて、大きなダイナミック・レンジが必要である。すなわち、広範に変化する共鳴角が検出可能である必要がある。このような応用例は、双方のタイプのROIに影響を及ぼすシステムの変動、例えば、温度、圧力、および、内部屈折率の変化に対して補償するために、目標ROIおよび参照ROIの共鳴角の差し引きを必要とする。   Other methods in the literature use imaging, but imaging suffers from scanning-dependent spurious signals or otherwise scanning is totally avoided. For example, Zizlsperger and Knoll, infra. Describes a system in which angular scanning results in enormous walking that has been carefully handled via ROI software tracking. Guedon et al. Describe a system that compensates for poor imaging and also a huge walk, but compensates through the use of a fixed angle and a relatively small and large ROI. Guedon et al., Anal. Chem. 72: 6003-6009 (2000) and Lyon et al., Review of Scientific Instruments, 70 (4): 2076-2081 (1999). Another approach is the double grating normal incidence imaging of Knoll's patent US Pat. No. 5,442,448, but this system introduces additional complexity. However, fixed angle and wavelength systems have a very limited dynamic range and are susceptible to light source intensity variations. For example, none of the above-described techniques can obtain a sufficiently good image to read a logo or other small identifier or indicator structure, or even a small ROI on the sensor surface, even using software compensation . As contemplated herein requiring detection of resonance angles for an array of target ROIs and reference ROIs with a comparison of target ROIs indicating immobilized reactants relative to a reference ROI indicating a bare metal sensor surface A large dynamic range is required in the system. That is, it is necessary to be able to detect a resonance angle that varies widely. Such an application can be used to compensate for system variations that affect both types of ROI, such as changes in temperature, pressure, and internal index of refraction, of the target ROI and reference ROI resonance angles. Requires deduction.

Journal of Molecular Structure、509:265−273(1999)においてSteiner他は、検出器CCDチップを傾けることによるSPR画像品質の改善を検討している。静止非垂直入射角SPR画像形成システムに対して見出される単純な焦点ずれに対する補正の目的を達成する一方、同改善は大幅なダイナミック・レンジを有するアレイ・センサに対して必要とされる広い範囲の入射角にわたり画像を収集する際の画像の「ウォーク」の問題に完全には対処しない。Steiner他の機器が連続的には角度走査しなかったが、単一の固定角でのみ画像を収集したため、本出願において説明されている「残存ウォーク」は気付かれないままであった。
2003年8月1日に両件ともに出願された米国特許仮出願第60/492061号明細書および同第60/492062号明細書 Knollの特許である米国特許第5442448号明細書 Kretschmann、Z. Phyzik、241:313−24(1971) ZizlspergerおよびKnoll、Progr.Colloid Polym. Sci.、109:244−253(1998) ZizlspergerおよびKnoll、infra. Guedon他、Anal. Chem.、72:6003−6009(2000) Lyon他、Review of Scientific Instruments、70(4):2076−2081(1999) Steiner他、Journal of Molecular Structure、509:265−273(1999)
Steiner et al., In Journal of Molecular Structure, 509: 265-273 (1999), are looking at improving SPR image quality by tilting the detector CCD chip. While achieving the objective of correcting for the simple defocus found for static non-vertical incidence angle SPR imaging systems, the improvement is the wide range required for array sensors with significant dynamic range. It does not fully address the “walk” problem of images when collecting images over the angle of incidence. Although the Steiner et al. Instrument did not continuously angle scan, it collected images only at a single fixed angle, so the “residual walk” described in this application remained unnoticed.
U.S. Provisional Application Nos. 60 / 492,061 and 60 / 49,2062 both filed on August 1, 2003 US Pat. No. 5,442,448 to Knoll Kretschmann, Z.M. Physik, 241: 313-24 (1971) Zizlsperger and Knoll, Progr. Colloid Polym. Sci. 109: 244-253 (1998). Zizlsperger and Knoll, infra. Guedon et al., Anal. Chem. 72: 6003-6009 (2000) Lyon et al., Review of Scientific Instruments, 70 (4): 2076-2081 (1999). Steiner et al., Journal of Molecular Structure, 509: 265-273 (1999).

本発明は当技術分野では以前に知られていなかったこの予期せぬ残存ウォーク効果を説明し、かつ、これに対して補正する最初の発明である。   The present invention is the first invention that describes and corrects for this unexpected residual walk effect that was not previously known in the art.

驚いたことに、本発明は、「角度走査補償画像形成」技術の完全なセットを介してこれらの光学上の問題を解決しており、同技術は検出器(CCD)チップの適切な傾斜、ROIシフトを最小に抑えるための画像形成光学系の特別な最適化、補正器板、および、特別な位置合わせ技術を含んでいる。   Surprisingly, the present invention solves these optical problems through a complete set of “angular scan compensated imaging” techniques, which include the proper tilting of the detector (CCD) chip, Includes special optimization of imaging optics, corrector plates, and special alignment techniques to minimize ROI shift.

したがって、本発明は格子結合SPR分析の実行に適し、かつ、センサの表面上の分離された何百もの反応領域(すなわち、目標ROI)を有するアレイを同時にモニタために有用な改善された光学共鳴分析機器を目的としている。以下に説明するように、本発明は、上述されたKretschmann型SPR分析に(通常は)依存し、かつ、使用可能な反応座の数、ならびに、測定の正確さおよびダイナミック・レンジが限られた現在の機器に対するいくつかの長所を提供する。   Thus, the present invention is an improved optical resonance suitable for performing lattice coupled SPR analysis and useful for simultaneously monitoring an array having hundreds of isolated reaction regions (ie, target ROIs) on the sensor surface. Intended for analytical instruments. As explained below, the present invention relies on the Kretschmann-type SPR analysis described above, and has a limited number of available reaction loci, as well as measurement accuracy and dynamic range. Provides several advantages over current equipment.

加えて、本機器は、格子結合SPRアレイ分析の分野に現存する上述の問題の多くを解決するように設計されており、そのため、同分野における大きな進歩を表す。   In addition, the instrument is designed to solve many of the aforementioned problems that currently exist in the field of lattice coupled SPR array analysis, and therefore represents a major advance in the field.

したがって、本発明は格子結合表面プラズモン共鳴(GCSPR)における使用のための改善された光学共鳴分析画像形成機器を目的とする。特に、本発明は、センサの表面上での最大何千もの分子結合相互作用のリアルタイムの同時分析の提供に加えて、システムの流体力学、温度制御、センサの走査、ならびに、走査されたセンサからのデータの収集および分析に関与する反応パラメータの制御の改善も提供する多くの特徴を組み合わせている。加えて、本発明は角度走査範囲、角度の正確さ、画像の忠実度を最適化し、かつ、共鳴擬似信号を排除するように設計されている。加えて、本発明は本明細書に説明されている新規な機器を利用するセンサの表面上で発生する反応をモニタするための新規な方法も説明する。   Accordingly, the present invention is directed to an improved optical resonance analysis imaging apparatus for use in grating coupled surface plasmon resonance (GCSPR). In particular, the present invention provides system fluid dynamics, temperature control, sensor scanning, as well as from scanned sensors, in addition to providing real-time simultaneous analysis of up to thousands of molecular binding interactions on the sensor surface. It combines many features that also provide improved control of reaction parameters involved in data collection and analysis. In addition, the present invention is designed to optimize angular scan range, angular accuracy, image fidelity, and eliminate resonant spurious signals. In addition, the present invention also describes a novel method for monitoring reactions that occur on the surface of a sensor utilizing the novel instrument described herein.

本発明の新規な特徴と共に含まれているものは、フィールド全体にわたり像を大幅に改善する一方、ビーム角度が走査されるに従った画像の移動(「ウォーク」または「ROIシフト」)を最小に抑え、このことが、今度は、走査されたセンサ表面の全体的な解像度を大きく改善する新規なリレー・レンズ設計である。この驚くべき像の改善を達成するために、本明細書に説明されている機器が、集積された光学系全体の精密な位置合わせ、特に、以下により詳細に説明されるセンサ、光源、および、(例えば、CCDカメラなどの)検出器の間の位置合わせを通常達成できることが重要である。   Included with the novel features of the present invention is a significant improvement in the image over the entire field while minimizing image movement (“walk” or “ROI shift”) as the beam angle is scanned. This is a novel relay lens design that, in turn, greatly improves the overall resolution of the scanned sensor surface. In order to achieve this surprising image improvement, the instrument described herein is capable of precise alignment of the entire integrated optical system, in particular the sensors, light sources, and It is important that alignment between detectors (such as a CCD camera) can usually be achieved.

より詳細には、本発明によれば、システムの構成部分間の相互作用の重要な態様は、カメラ・レンズの焦点位置、検出器とセンサ表面の間の距離、ならびに、センサ表面に関した検出器の傾斜角度を含む。本明細書に説明されている機器の機械的機能は、本光学ユニットの性能を最適化するために要求される必要な調整を共働して実行するような形で相互接続されている。これらの機械的調整は、画像品質を改善し、かつ、光学的画像収差を低減するための機器較正を素早く最適化するために、重要なデータを分析し、かつ、様々なパラメータの迅速な調整を支援するように特別に設計された画像分析ソフトウェアの支援を得て好ましくは実行される。   More particularly, according to the present invention, important aspects of the interaction between system components are the focal position of the camera lens, the distance between the detector and the sensor surface, and the detector relative to the sensor surface. Including the tilt angle. The mechanical functions of the instruments described herein are interconnected in such a way that the necessary adjustments required to optimize the performance of the optical unit are performed in concert. These mechanical adjustments analyze important data and quickly adjust various parameters to quickly optimize instrument calibration to improve image quality and reduce optical image aberrations Are preferably executed with the assistance of image analysis software specially designed to assist.

1つの態様において、本発明は完全に収容され、かつ、集積された光学格子結合表面プラズモン共鳴分析ユニットを目的とする。ユニットはセンサを受け入れるように設計された目標領域を備えた支持フレームを含む。1つの実施形態において、センサは、上に何千もの分子結合反応座を同時光学分析のために精密に配列することができる基板として適した格子結合表面プラズモン共鳴チップとすることができる。ユニットは、センサが機械的または手作業のいずれかで目標領域に挿入することができるように設計することができる。   In one aspect, the present invention is directed to a fully housed and integrated optical grating coupled surface plasmon resonance analysis unit. The unit includes a support frame with a target area designed to receive the sensor. In one embodiment, the sensor can be a lattice-coupled surface plasmon resonance chip suitable as a substrate on which thousands of molecularly coupled reaction loci can be precisely arranged for simultaneous optical analysis. The unit can be designed so that the sensor can be inserted into the target area either mechanically or manually.

本発明はセンサ上に照明を差向けるための光源を含み、続いて、この照明はセンサの表面から、より詳細に以下に説明される新規な検出器組立体に反射される。本発明の各実施形態において、センサは静止に留まり、光源は、光源から外出して反射性センサ上に差向けられる光のビームがセンサに関して複数の角度を介して移動することを可能にするように機器フレーム上に搭載されている。例えば、好ましい実施形態において、光源は、光源から外出する光のビームが複数の角度でセンサに突き当たるようにフレームに旋回可能に固着されている。特に好ましい実施形態において、光源は、光源が円弧状の経路で可動となる方法で収容されたユニットのフレーム上に搭載され、そのため、光源は双方向のパターン、すなわち、正および負の方向で多数の異なった角度から目標領域を照明することができる。センサ表面は、信号雑音の増加につながり得るセンサを横切って移動する強度変動を最小に抑えるために、旋回する光源の光学的頂点に位置決めされている。   The present invention includes a light source for directing illumination onto the sensor, which is then reflected from the sensor surface to the novel detector assembly described in more detail below. In each embodiment of the present invention, the sensor remains stationary and the light source allows the beam of light that goes out of the light source and directed onto the reflective sensor to move through multiple angles with respect to the sensor. Is mounted on the equipment frame. For example, in a preferred embodiment, the light source is pivotally secured to the frame such that a beam of light exiting the light source strikes the sensor at multiple angles. In a particularly preferred embodiment, the light source is mounted on the frame of a unit housed in such a way that the light source is movable in an arcuate path, so that the light source is many in a bi-directional pattern, ie positive and negative directions. The target area can be illuminated from different angles. The sensor surface is positioned at the optical apex of the swirling light source to minimize intensity fluctuations moving across the sensor that can lead to increased signal noise.

1つの実施形態において、光源はセンサに差向けられる照明を発生させるための発光ダイオード(LED)組立体を含む。例としてのみ、LED組立体は印刷回路板上に搭載された単一の875nmLEDを含むことができ、かつ、不要な光を遮断するための独立した開口要素を含むことができるが、広範な適したLED波長を含めて、この設計に対しては多くの変形がある。本発明のLEDレンズ組立体は可能な限り点光源を模倣するように設計され、それにより、LEDのダイ自体から外出するいかなる迷光も最小に抑える。この迷光は、よりコリメートされていない光源ビームにつながり得、多数の光源点を引き起こし得、この両者ともに、共鳴幅の増加および、続いて、SPR角雑音の増加をもたらす。LED組立体の前面は、全ての光線を予測可能な経路で開口を介して、かつ、コリメート用レンズ内に差向けるために、この前面を光学的に平坦な表面へとすり合わせ加工することによりドーム形状から有利に修正することができる。   In one embodiment, the light source includes a light emitting diode (LED) assembly for generating illumination that is directed to the sensor. By way of example only, the LED assembly can include a single 875 nm LED mounted on a printed circuit board and can include an independent aperture element to block unwanted light, but is widely suitable There are many variations on this design, including the LED wavelength. The LED lens assembly of the present invention is designed to mimic a point light source as much as possible, thereby minimizing any stray light that leaves the LED die itself. This stray light can lead to a less collimated light source beam and can cause a large number of light source points, both resulting in an increase in resonance width and subsequently an increase in SPR angular noise. The front surface of the LED assembly is dome-processed by rubbing this front surface into an optically flat surface to direct all rays through the aperture in a predictable path and into the collimating lens. The shape can be advantageously modified.

加えて、本発明の光源は、光源からセンサ上に突き当たる光の特性を制御および最適化するための光源光学系組立体も含む。1つの実施形態において、光源光学系組立体はレンズ・チューブ内に収容され、かつ、光源から外出する照明をコリメートするために適したレンズ、不要な波長を遮断するための干渉フィルタ、および、P偏光された光を発生するための手段をさらに含む。1つの実施形態において、フィルタ幅は4nmであり、この幅はSPR共鳴のプロファイルの過剰な広がりを防止するために選択され、かつ、コヒーレンス雑音(「スペックル」)も防止する。別の実施形態において、S偏光された光を発生するために第2の偏光フィルタを追加することができ(るか、または、代案として、現行の偏光器を90度回転することができ)、それにより、強度の変化の影響を打ち消すことができる。レンズ・チューブはコリメート用レンズを合焦させるための手段も提供する。   In addition, the light source of the present invention also includes a light source optics assembly for controlling and optimizing the characteristics of light impinging on the sensor from the light source. In one embodiment, the light source optics assembly is housed in a lens tube and is suitable for collimating illumination exiting the light source, an interference filter for blocking unwanted wavelengths, and P Further comprising means for generating polarized light. In one embodiment, the filter width is 4 nm, which is selected to prevent excessive broadening of the SPR resonance profile and also prevents coherence noise (“speckle”). In another embodiment, a second polarizing filter can be added to generate S-polarized light (or alternatively, the current polarizer can be rotated 90 degrees), Thereby, the influence of the change in intensity can be canceled. The lens tube also provides a means for focusing the collimating lens.

別の実施形態において、光源は機器フレームに直接に旋回可能に装着することができるか、または、代案として、旋回アームを介してフレームと接触させることができる。旋回アームはユニットのフレームに旋回可能に装着された支持フレームを含むことができる。この実施形態において、旋回アームは光源を固定するための手段、および、例えばモータなどの旋回アームおよび光源を動かすための駆動手段に光源を接続するための手段を含む。   In another embodiment, the light source can be pivotably mounted directly to the instrument frame, or alternatively, can be brought into contact with the frame via a pivot arm. The swivel arm can include a support frame that is pivotally mounted to the frame of the unit. In this embodiment, the swivel arm includes means for fixing the light source, and means for connecting the light source to a swivel arm such as a motor and drive means for moving the light source.

好ましい実施形態において、光源は、光源に直接に装着することができるか、または、ユニットのフレームに固定することができるステップ・モータと接触し、かつ、これにより再位置決めされている。1つの実施形態において、1つの端部において光源に装着され、かつ、モータの行動がアームを前後に駆動し、続いて、光源のビームに、センサ格子の溝に平行な軸についてセンサ表面の中心をほぼ介して旋回させるようにモータと嵌合されている線形アームが線形方向から角度に平行移動することを可能にするために、モータはユニットのフレームに固定され、かつ、線形アームを介して光源と接触している。1つの実施形態において、アームはネジ山を切られており、かつ、モータの回転行動により移動される。   In a preferred embodiment, the light source is in contact with and repositioned by a stepper motor that can be mounted directly to the light source or fixed to the frame of the unit. In one embodiment, the sensor surface is attached to the light source at one end, and the action of the motor drives the arm back and forth, followed by the center of the sensor surface about the axis parallel to the groove of the sensor grid. The motor is fixed to the frame of the unit, and via the linear arm to allow the linear arm fitted with the motor to pivot substantially through In contact with the light source. In one embodiment, the arm is threaded and is moved by the rotational action of the motor.

代案実施形態において、本明細書に説明されている機器は線形的に走査されるLEDを含むことができ、光源のレンズ系はフレームに堅固に固定することができ、かつ、LEDはモータにより駆動される可動線形スライドに搭載することができる。LEDの動きは、コリメートされた光がセンサに突き当たる角度を変化させる。この実施形態は、所望の範囲の角度を介して光源ビームを再位置決めするために必要なより小さなモータ、LEDが同じダイナミック・レンジを提供するために横切ることを必要とするより短い距離、より小さな質量からの低減された振動、および、同等の走査精度に対するより低いコストを含むいくつかの長所を有する。   In an alternative embodiment, the instrument described herein can include a linearly scanned LED, the lens system of the light source can be rigidly secured to the frame, and the LED is driven by a motor Can be mounted on a movable linear slide. The movement of the LED changes the angle at which the collimated light strikes the sensor. This embodiment has a smaller motor, required to reposition the source beam through the desired range of angles, a shorter distance, less required for the LEDs to traverse to provide the same dynamic range. It has several advantages, including reduced vibration from mass and lower cost for equivalent scanning accuracy.

回転ミラーを利用する別の実施形態において、光源光学系およびLEDはフレーム上に固定することができ、かつ、旋回するミラーに光を当てることができる。この特定の実施形態において、機器はミラーの入射角を精密に制御するための手段を含む。この特定の実施形態の長所は、線形LEDに対しては上記に説明した如くである。   In another embodiment utilizing a rotating mirror, the light source optics and LEDs can be fixed on a frame and can shine light on a rotating mirror. In this particular embodiment, the instrument includes means for precisely controlling the angle of incidence of the mirror. The advantages of this particular embodiment are as described above for linear LEDs.

さらに別の実施形態において、光源光学系の線形アレイはフレーム上に搭載することができ、かつ、センサを含む目標領域に向けて差向けることができる。光源光学系の幾何学的位置決め、すなわち、センサからの距離および両者の間の間隔は、SPR曲線を確立し、かつ、これに適合させるための十分な数の強度データ点が存在するように、いずれの2つの隣接した光学系間の入射光の最小必要角度を作り出す。光源光学系は、データ収集速度を上昇させるために非常に迅速に順次照明することができる。この系の重要な長所は、この系が固体状態であり、幾何学形状が安定しており、かつ、データ速度の上昇をもたらすことである。   In yet another embodiment, a linear array of light source optics can be mounted on the frame and pointed towards a target area that includes a sensor. The geometric positioning of the source optics, i.e. the distance from the sensor and the distance between them, establishes and adapts to a sufficient number of intensity data points to establish and fit the SPR curve. Create the minimum required angle of incident light between any two adjacent optical systems. The light source optics can be illuminated sequentially very quickly to increase the data collection speed. An important advantage of this system is that it is in a solid state, has a stable geometry, and results in increased data rates.

追加の変形は、全ての光源光学系を照明させたままに保つこと、および、精密に制御された速度で同光学系上を可動開口を通過させ、それにより、どの光線がセンサ上に突き当たるか、並びに、露光時間を開口が制限することを含む。   An additional variant is to keep all the light source optics illuminated and to pass through the movable aperture over the optics at a precisely controlled rate so that which rays strike the sensor. As well as limiting the exposure time by the aperture.

本発明の1つの実施形態において、光源により発生されたコリメートされた光はある範囲の角度でセンサの表面上に突き当たり、かつ、この表面から、センサからの反射光を受光するように位置決めされた検出器組立体に反射される。1つの実施形態において、検出器はフレームに装着され、かつ、センサ表面から反射された光を受光するように配向されている。反射光は、その範囲の角度を介してセンサが走査する間にセンサの表面上の各ROIにおいて進行する反応に応じて強度を変化させる。各画像フレームに対する信号出力は各ROIに対する2つの値の測定値、(1)検出器により受光され、ROIを含む各検出器画素にわたり合計された反射光の強度、および、(2)反射された強度が角度符号化器により記録された如くに測定された対応入射角、に変換される。各角度走査が完了すると、続いて、集められた情報は、好ましくはEmpirical Profile Fit(経験的プロファイル適合:EPF)アルゴリズムである共鳴認定アルゴリズムに転送される。同適合アルゴリズムでは、各ROIに対して上記に説明されたデータが較正済みSPRプロファイルに適合され、各ROIに対して曲線の最小値の位置が決定される。続いて、これらの共鳴位置は、動作実行の過程にわたり連続角度走査の手段により時間に従って追跡される。本明細書で説明されている新規な機器によるSPR最小値のリアルタイムのモニタリングは、最大何千もの個別のROIの各々においてセンサの表面上で進行している反応に関する重要な情報を提供する。特に、生体分子感知に対して、SPR応答の時間依存性は、センサの表面上のROIの各々において進行している結合および解離の各相互作用を記述する動力学的定数konおよびkoffの算出を可能にする。 In one embodiment of the present invention, the collimated light generated by the light source strikes the sensor surface at a range of angles and is positioned to receive reflected light from the sensor from this surface. Reflected to the detector assembly. In one embodiment, the detector is mounted on the frame and is oriented to receive light reflected from the sensor surface. The reflected light changes in intensity as the reaction proceeds at each ROI on the surface of the sensor as the sensor scans through the range of angles. The signal output for each image frame is a measurement of two values for each ROI, (1) the intensity of the reflected light received by the detector and summed across each detector pixel including the ROI, and (2) reflected The intensity is converted to a corresponding incident angle measured as recorded by the angle encoder. As each angular scan is completed, the collected information is then transferred to a resonance qualification algorithm, which is preferably an Empirical Profile Fit (EPF) algorithm. In the fitting algorithm, the data described above for each ROI is fitted to a calibrated SPR profile, and the position of the minimum value of the curve is determined for each ROI. Subsequently, these resonance positions are tracked according to time by means of continuous angle scanning over the course of the movement execution. Real-time monitoring of SPR minimums with the novel instrument described herein provides important information regarding the reactions that are proceeding on the surface of the sensor in each of up to thousands of individual ROIs. In particular, for biomolecular sensing, the time dependence of the SPR response is dependent on the kinetic constants k on and k off that describe each ongoing binding and dissociation interaction in each ROI on the sensor surface. Enable calculation.

好ましい実施形態において、本明細書で説明されている新規な検出器は、センサの表面から反射された光を受光するための新規なレンズ組立体、電荷結合素子(CCD)カメラ、および、多数の平面においてカメラ組立体を調整するための多構成部分ジンバル座組立体を含む。本明細書で説明されている新規な検出器組立体は、ROI画像シフト(「ウォーキング」効果)に寄与している画像収差の低減に役立てるためのレンズ組立体における補正板も好ましくは含み、かつ、加えて、強度の変動を引き起こし得る検出器光学系上での蒸着を防止するための受動的寒冷フィンガを含むことができる。   In a preferred embodiment, the novel detector described herein includes a novel lens assembly for receiving light reflected from the sensor surface, a charge coupled device (CCD) camera, and a number of A multi-component gimbal seat assembly for adjusting the camera assembly in a plane is included. The novel detector assembly described herein preferably also includes a correction plate in the lens assembly to help reduce image aberrations contributing to ROI image shift (the “walking” effect), and In addition, a passive cold finger can be included to prevent deposition on the detector optics that can cause intensity variations.

特に好ましい実施形態において、レンズ組立体は本明細書で説明されている新規な光学共鳴分析ユニットにおける使用に対して特別に設計されている。詳細には、レンズ組立体は、光源がある範囲の照明角度にわたり走査される間、CCDカメラ上で画像安定性を維持するように特別に設計されている。従来のレンズ系を使用したセンサ分析は、「ウォーキング」、または、角度走査が進行する間にセンサ表面上の目標点(目標ROI)の実際の場所に関して目標点が移動もしくは移行してしまうような外観をもたらす。このことは、目標ROIのみよりも、むしろ参照ROI(剥き出しの金属)を少なくとも部分的に測定することにつながり、続いて、測定雑音の増加に直接につながる。本発明のレンズ組立体はこのROIシフト効果、および、その結果のSPR雑音を低減するように設計され、それにより、センサの表面上で進行している反応のより正確な読取りおよび分析を可能にする。本発明の光学系は、軸を外れた動作、または、物体平面の傾斜の条件下でセンサ表面全体にわたり正確な画像形成を提供するようにさらに構成されている。   In a particularly preferred embodiment, the lens assembly is specifically designed for use in the novel optical resonance analysis unit described herein. Specifically, the lens assembly is specifically designed to maintain image stability on the CCD camera while the light source is scanned over a range of illumination angles. Sensor analysis using a conventional lens system is such that the target point moves or shifts with respect to the actual location of the target point (target ROI) on the sensor surface while “walking” or angular scanning proceeds. Bring the appearance. This leads to at least partial measurement of the reference ROI (bare metal) rather than only the target ROI, which in turn leads directly to an increase in measurement noise. The lens assembly of the present invention is designed to reduce this ROI shift effect, and the resulting SPR noise, thereby allowing more accurate reading and analysis of the reaction that is proceeding on the sensor surface. To do. The optical system of the present invention is further configured to provide accurate imaging across the sensor surface under conditions of off-axis motion or tilting of the object plane.

本明細書で説明されている新規なレンズ系は、SPRセンサ領域全体の画像を(例えば、CCDチップ領域などの)検出器の受像光学感応性領域上に投影するために有利に選択された倍率を持つ単色二重テレセントリック設計を有するセンサ画像形成レンズを含む。本光学系は、任意で、適切に傾けられた物体(センサ)平面および(画像(CCD検出器)平面と共に使用されるよう設計された傾斜補正板を含む。この光学的設計はセンサ窓、水性試料層、および、検出器カメラ窓を完全に考慮している。従来のレンズ設計と異なり、本発明の新規なレンズ組立体は(前述の大きなダイナミック・レンジに対して必要な)照明走査角の範囲全体にわたり、動作波長における画像のウォークを最小に抑えるよう特に設計されている。本レンズ組立体は、無限遠における傾斜物体平面の画像を生成する対物区間を含み、この虚像を取り込み、かつ、二次元検出器表面と一致する同じく傾けられた画像平面上に縮小実像を作成する画像形成区間がその後に続く。光学区間と画像形成区間は部分間の空隙に所在する共通の中間開口平面を共有する。この平面内の対物区間および画像形成区間間にスロット形開口絞りが挟み込まれている。レンズ組立体の新規な態様はさらに以下に詳細に説明される。   The novel lens system described herein provides a magnification that is advantageously selected for projecting an image of the entire SPR sensor area onto a receiver optical sensitive area of a detector (eg, a CCD chip area). Including a sensor imaging lens having a monochromatic dual telecentric design. The optical system optionally includes a tilt corrector designed to be used with an appropriately tilted object (sensor) plane and (image (CCD detector) plane), the optical design comprising a sensor window, an aqueous The sample layer and detector camera window are fully considered, unlike conventional lens designs, the novel lens assembly of the present invention has an illumination scan angle (necessary for the large dynamic range described above). Designed specifically to minimize the image walk at the operating wavelength over the entire range, the lens assembly includes an objective section that produces an image of the tilted object plane at infinity, captures this virtual image, and This is followed by an image forming section that creates a reduced real image on the same tilted image plane that coincides with the two-dimensional detector surface, the optical section and the image forming section being located in the gap between the sections. Sharing intermediate opening plane passing. Novel aspects of the stop slot-shaped opening between the objective section and an image forming section of the plane is sandwiched. Lens assembly is described in further detail below.

本発明の光学分析ユニットは、好ましくは、上記に説明した光源の入射角、すなわち、照明がセンサの表面に突き当たる角度を精密に決定するための回転式符号化器も含む。回転式符号化器は、好ましくは、ユニット内に固定され、かつ、センサ表面に関して光源の角度を決定するような形で光源に接触している。続いて、この情報は(例えば、EPFアルゴリズムなどの)共鳴認定アルゴリズムに転送され、同アルゴリズムでは、データが様々な目標点(ROI)に対する較正済みSPR曲線に適合され、曲線の最小値の位置が時間に従って追跡される。好ましい実施形態において、回転式符号化器は旋回シャフト、符号化器筐体、および、符号化器を含む。   The optical analysis unit of the present invention preferably also includes a rotary encoder for precisely determining the incident angle of the light source described above, ie the angle at which the illumination strikes the surface of the sensor. The rotary encoder is preferably fixed in the unit and in contact with the light source in such a way as to determine the angle of the light source with respect to the sensor surface. This information is then transferred to a resonance qualification algorithm (e.g., EPF algorithm), where the data is fitted to calibrated SPR curves for various target points (ROIs), and the position of the curve minimum is determined. Tracked according to time. In a preferred embodiment, the rotary encoder includes a pivot shaft, an encoder housing, and an encoder.

線形式符号化器は上記に説明された回転式符号化器の代替物として使用することができ、線形式符号化器は、上記に説明された如くの可動光源光学系の位置を追跡するために、線形の単位から角度上の単位への変換を必要とする。別の代案実施形態において、回転式符号化器の代わりに、高度な正確さで角度の変化を直接に決定できるステップ型モータ機構を使用することができる。   A linear encoder can be used as an alternative to the rotary encoder described above, and the linear encoder is used to track the position of the movable source optics as described above. Requires conversion from linear units to angular units. In another alternative embodiment, instead of a rotary encoder, a stepped motor mechanism that can directly determine the change in angle with a high degree of accuracy can be used.

本発明の光学分析ユニットの追加の各実施形態は、様々な流体試薬溶液および試料溶液をセンサの表面へ、および、そこから搬送するための複雑な流体力学系も含む。本発明の1つの実施形態において、実験的な動作実行に先立ち、本ユニットの流体力学系は系を清掃し、水流洗浄すること、ならびに、系から気泡を一掃することにより準備することができる。この気泡はセンサの表面上で進行する反応ならびに反射された光学的データを正確に集め、かつ、解釈する機器の能力に悪影響を及ぼすことがある。センサとの接触に続き、流体系は、ユーザが流体を廃棄物受け器に差向けることを可能にするよう設計されているか、または、代案として、流体を、センサとの再接触またはユニットからの取出しのいずれかのために、系を介して再差向けすることができる。   Each additional embodiment of the optical analysis unit of the present invention also includes a complex hydrodynamic system for transporting various fluid reagent solutions and sample solutions to and from the sensor surface. In one embodiment of the present invention, prior to performing an experimental operation, the unit's hydrodynamic system can be prepared by cleaning the system, flushing the system, and clearing bubbles from the system. This bubble can adversely affect the ability of the instrument to accurately collect and interpret the reaction proceeding on the sensor surface as well as the reflected optical data. Following contact with the sensor, the fluid system is designed to allow the user to direct the fluid to a waste receptacle, or alternatively, the fluid is re-contacted with the sensor or from the unit. It can be redirected through the system for either removal.

本発明の1つの好ましい実施形態において、流体力学系は、双方の流体経路を同時に準備する能力、ならびに、(例えば、バッファ溶液に対する)SPR基線が同時に確立されている間に1つの特定の流体回線を準備する能力をユーザに対して可能にするための独立した試料経路およびバッファ経路を含む。したがって、試料は、センサ表面との接触の直前に系に導入することができ、それにより、敏感な試料、特に、例えば、低温無酸素保管などの最適な保管状態から取り出された時に急速に劣化する傾向にある試料の完全性を維持する。   In one preferred embodiment of the present invention, the hydrodynamic system has the ability to prepare both fluid paths simultaneously, as well as one specific fluid circuit while the SPR baseline (eg, for a buffer solution) is established simultaneously. Independent sample path and buffer path to allow the user the ability to prepare. Thus, the sample can be introduced into the system immediately prior to contact with the sensor surface, thereby rapidly degrading when it is removed from a sensitive sample, particularly optimal storage conditions such as low temperature anoxic storage. Maintain the integrity of samples that tend to

加えて、本発明の好ましい流体力学系において、試料経路およびバッファ経路の双方とも、センサに非常に近接して位置決めされている調整可能四方弁につながっている。この弁は試料/バッファの混合を最小に抑えるために機能し、このことは同力学的値の正確な決定に重要である。   In addition, in the preferred hydrodynamic system of the present invention, both the sample path and the buffer path are connected to an adjustable four-way valve that is positioned very close to the sensor. This valve functions to minimize sample / buffer mixing, which is important for accurate determination of the kinetic value.

好ましい流体力学系の追加の特徴は系に進入する試料および系を離れる廃棄物のための接続部として機能する試料注入ステーション(SIS)を含む。この特徴によれば、試料弁体は溶液中に機械的に下げられ、続いて、試料はポンプにより吸い上げられ、かつ、センサ内に注入される。弁体は機械的に、または、手作業で操作することができる。SISは、廃棄するために試料を排出すること、試料を回収すること、または、試料をセンサ領域にわたり再循環させることの選択肢をユーザに与える。本明細書で説明されている如くの試料を再循環させる能力は、ユーザが少ない量の特定の試料しか獲得できない場合に特に有利である。本明細書で説明されているSISの柔軟性は、ユーザが、より様々な試料の系内への自動的注入のための自動サンプラ(例えば、試料バンクまたは円形コンベヤ)に接続することを、任意で可能にすることができる。   Additional features of the preferred hydrodynamic system include a sample injection station (SIS) that serves as a connection for sample entering the system and waste leaving the system. According to this feature, the sample valve is mechanically lowered into the solution, and then the sample is sucked up by the pump and injected into the sensor. The valve body can be operated mechanically or manually. SIS gives the user the option of discharging the sample for disposal, collecting the sample, or recirculating the sample across the sensor area. The ability to recirculate samples as described herein is particularly advantageous when a user can obtain only a small amount of a particular sample. The flexibility of the SIS described herein allows the user to connect to an automatic sampler (eg, a sample bank or carousel) for automatic injection of more diverse samples into the system. Can make it possible.

本明細書で説明されている最も好ましい流体力学系の別の長所は、「オンザフライ」試料ローディングのための能力であり、このローディングは、1つがバッファ溶液を動かし、1つが試料を動かす2つの別個のポンプにより可能となり、バッファが系を介して流れている間にユーザが試料を準備することを可能にする。多くの事例において、本機器を使用して、バッファ溶液が基線を確立するために数分以上にわたり系を介して別個に流れることを可能にすることは有利である。加えて、試料のローディングが時間に依存する場合、例えば、時間と共におよび/または温度の変化と共に劣化する可能性のある敏感な試料のために、試料の準備、混合などとローディングとの間の時間が短いことを要求されている場合において、センサ上への注入および導入のわずか数分前または数秒前さえに、試料が準備され、かつ、ローディングされることを、独立したバッファおよび試料の流体力学的経路が可能にする。上記に説明された如くの試料の再循環は、例えば、特に低いオン速度(すなわち、低い解離定数)を持つ試料に対しても有利である。なぜなら、この再循環は、正確な解離定数konを算出するために十分な応答を観測するための十分な長さの時間にわたり、試料が系を介して(再)周回し続けることを可能にするからである。 Another advantage of the most preferred hydrodynamic system described herein is the ability for “on-the-fly” sample loading, which includes two separate ones moving the buffer solution and one moving the sample. This allows the user to prepare the sample while the buffer is flowing through the system. In many cases, it is advantageous to use the instrument to allow the buffer solution to flow separately through the system for several minutes or more to establish a baseline. In addition, if sample loading is time dependent, for example for sensitive samples that may degrade over time and / or with temperature changes, the time between sample preparation, mixing, etc. and loading Independent buffers and sample hydrodynamics that samples are prepared and loaded just minutes or even seconds before injection and introduction onto the sensor Path is possible. Sample recirculation as described above is also advantageous, for example, for samples with particularly low on-rates (ie, low dissociation constants). Because this recirculation allows the sample to continue to (re) circulate through the system for a time long enough to observe a sufficient response to calculate the exact dissociation constant k on Because it does.

加えて、もし反応が緩慢に進行すれば、再循環は、少量の試料がセンサ表面と継続的に再接触できることにおいて特に有利であるのに対して、もしこの選択肢が利用可能でなければ、ユーザははるかに大量の試料を獲得しなければならず、このことは、不可能でないとしても、困難となる、または、恐らく費用がかかる可能性がある。したがって、再循環試料のこの「無限供給」は、非常に緩慢または大量の搬送に制限のある反応のモニタリングを可能にするために、接触時間および流速の双方において十分な柔軟性を提供する。   In addition, if the reaction proceeds slowly, recirculation is particularly advantageous in that a small amount of sample can be continuously recontacted with the sensor surface, whereas if this option is not available, the user Must obtain much larger samples, which can be difficult or possibly expensive if not impossible. Thus, this “infinite supply” of recirculated sample provides sufficient flexibility in both contact time and flow rate to allow monitoring of reactions that are very slow or limited in bulk delivery.

四方弁の使用は本発明の流体力学系において特に有利である。なぜなら、(1)系が同時に流れ、かつ、試料注入のために準備するため、四方弁がバッファおよび試料の濃度の完全性を維持し、(2)四方弁の位置、すなわち、センサにすぐ隣接している位置がバッファ/試料界面のいかなる混合も最小に抑えるからである。   The use of a four-way valve is particularly advantageous in the hydrodynamic system of the present invention. Because (1) the system flows simultaneously and prepares for sample injection, the four-way valve maintains the integrity of the buffer and sample concentration, and (2) the position of the four-way valve, ie immediately adjacent to the sensor This is because the position where it is kept minimizes any mixing at the buffer / sample interface.

本発明の流体力学系はシリンジ・ポンプにより駆動される「気泡破裂」高速パルス化流も含む。(新しいセンサ・チップを含む)新しいフロー・セルを動作させると、バッファで満たした後にセルの隙間内に気泡が残るのが一般的である。気泡は、試料の切換え中および他の流体搬送動作中に偶発的に導入されることがある。これらの気泡は影響を受けたROI上の結合反応の正確な測定を妨害し、かつ、除去されなければならない。この除去は、特に、本発明の技術分野において一般的であるように、センサを含むフロー・セルの寸法が低減された場合に困難となり得る。臨界排斥流速(CDF)を超えた非常に大きな流体流速の短時間の印加がフロー・セル表面における湿潤張力の不均一性により、または、幾何学的形状の不連続により捕えられた気泡を除去できることが実証されている。   The hydrodynamic system of the present invention also includes a “bubble burst” fast pulsed flow driven by a syringe pump. When a new flow cell (including a new sensor chip) is operated, it is common for bubbles to remain in the cell gap after filling with a buffer. Bubbles may be introduced accidentally during sample switching and other fluid transfer operations. These bubbles interfere with the accurate measurement of the binding reaction on the affected ROI and must be removed. This removal can be difficult especially when the dimensions of the flow cell containing the sensor are reduced, as is common in the art of the present invention. The application of very high fluid flow rates beyond the critical evacuation flow rate (CDF) for short periods of time can remove trapped air bubbles due to non-uniform wetting tension on the flow cell surface or geometric discontinuities. Has been demonstrated.

本発明においては、大きな流量のパルスの多数の印加が、1つの「粘着」場所から次の「粘着」場所に気泡が移動する間に気泡を排除するために、通常必要であることが決定されている。フロー・セルからいずれの気泡も除去するために、流体力学系は、小流量インピーダンス流体流路を例えば介してセンサ・セルに「気泡破裂」、または、一連の高流速パルスを印加するために使用することができる容積式ポンプ(シリンジ・ポンプ)を組み込んでいる。加えて、気泡に対するリアルタイムのモニタリングは流体力学的動作を中断することができ、かつ、蓄積する可能性のあるいずれの気泡も「破裂」させることができる。   In the present invention, it has been determined that multiple applications of large flow pulses are usually necessary to eliminate bubbles while they move from one “sticky” location to the next “sticky” location. ing. To remove any bubbles from the flow cell, the hydrodynamic system is used to apply a “bubble rupture” or a series of high flow pulses to the sensor cell, for example via a small flow impedance fluid flow path It incorporates a positive displacement pump (syringe pump). In addition, real-time monitoring for bubbles can interrupt the hydrodynamic operation and “burst” any bubbles that may accumulate.

系の安定性を維持するために、ならびに、センサの表面上で進行している結合反応に関する正確かつ一貫したデータを生成するために、本発明によれば、センサを取り巻く雰囲気温度、ならびに、センサ自体、特に分析中の結合反応が進行するセンサ表面を制御するために、ユーザが、センサと接触する試料および溶液の温度に対する幾分かの制御を実施する能力を有することは特に有利である。加えて、ユーザが、雰囲気温度より上および下の双方の様々な温度で実験を行なうことを可能にすることが望ましい。上述の温度制御を容易にするために、本発明のユニットは、センサが所在する目標領域を収容し、かつ、上述の流体力学系の少なくとも一部を収容する保温室を有利に含むことができる。好ましい実施形態において、保温室は、循環ファンを含む比例積分導関数(PID)制御熱電素子モジュール、ヒートシンク、熱フューズおよび、センサを含む。保温室は、好ましくは、保温室内の熱定安定性を維持する断熱発泡剤で裏打ちされている。この断熱材は、環境または機器の動作により引き起こされることのある温度の変動に対して、センサ領域、化学反応、および、入来流体を保護する。保温室に同じく好ましく含まれるものは、入来流体の熱的安定性を維持するための受動的予備加熱器である。これらの受動的予備加熱器は、閉鎖環境内で空気を循環すること、および、流体力学配管の壁を介して伝導により流体へ、または、流体から熱を搬送することを介して、保温室の温度を緊密に追跡する。降温装置の成型材料は配管と予備加熱器の間の小さな隙間を充填するために塗布されている。   In order to maintain the stability of the system and to generate accurate and consistent data regarding the binding reactions proceeding on the surface of the sensor, according to the present invention, the ambient temperature surrounding the sensor, as well as the sensor As such, it is particularly advantageous for the user to have some control over the temperature of the sample and solution in contact with the sensor, particularly to control the sensor surface on which the binding reaction under analysis proceeds. In addition, it is desirable to allow the user to perform experiments at various temperatures both above and below the ambient temperature. In order to facilitate the temperature control described above, the unit of the present invention may advantageously include a warming room that houses the target area where the sensor is located and that houses at least a portion of the hydrodynamic system described above. . In a preferred embodiment, the warming room includes a proportional integral derivative (PID) controlled thermoelectric module including a circulation fan, a heat sink, a thermal fuse, and a sensor. The warming chamber is preferably lined with an insulating foam that maintains the thermal stability within the warming chamber. This insulation protects the sensor area, chemical reaction, and incoming fluid against temperature fluctuations that can be caused by the environment or the operation of the equipment. Also preferably included in the warmer chamber is a passive preheater to maintain the thermal stability of the incoming fluid. These passive preheaters circulate air in a closed environment and maintain the thermal chamber through the transfer of heat to or from the fluid through the walls of the hydrodynamic piping. Keep track of temperature closely. The molding material of the temperature lowering device is applied to fill a small gap between the pipe and the preheater.

本発明は、反応座のアレイの同時測定が可能な格子結合表面プラズモン共鳴(GCSPR)に特における使用のための改善された光学共鳴分析機器を目的とする。特に、本発明は、最大何千もの分子結合相互作用のリアルタイムの分析を可能にすることに加えて、システムの流体力学、温度制御、センサの走査、ならびに、走査されたセンサからのデータの収集および分析に関与する反応パラメータの制御の改善も提供する多くの特徴を組み合わせている。   The present invention is directed to an improved optical resonance analyzer for use specifically in lattice-coupled surface plasmon resonance (GCSPR) that allows simultaneous measurement of an array of reactive sites. In particular, the present invention enables real-time analysis of up to thousands of molecular binding interactions, as well as system fluid dynamics, temperature control, sensor scanning, and collection of data from scanned sensors. It combines many features that also provide improved control of the reaction parameters involved in the analysis.

分析ユニットは完全に自動化することができ、かつ、ユニットと共に含まれるソフトウェアにより自動的に制御および実施される全ての光学的走査動作を有する。基本的に、バッファ、試料、および、センサがユニット内に一旦ローディングされれば、ユーザは実験に関するパラメータ、例えば、時間、温度、流体流速などをユニットに接続されたコンピュータに入力することができ、ユニットは検定および分析の全体を即時または設定時刻のいずれかに実行するようにプログラムすることができ、かつ、検定が進行するに従い結合のリアルタイムのデータを提供することができる。   The analysis unit can be fully automated and has all optical scanning operations automatically controlled and implemented by software included with the unit. Basically, once the buffer, sample, and sensor are loaded into the unit, the user can enter experimental parameters such as time, temperature, fluid flow rate, etc. into a computer connected to the unit, The unit can be programmed to run the entire assay and analysis either immediately or at a set time, and can provide real-time data for binding as the assay progresses.

特に、本発明は完全に集積された光学格子結合表面プラズモン共鳴分析ユニットを目的とする。図面を参照して以下に本発明の特に好ましい実施形態が説明される。しかし、説明される設計の特徴が特定の目的に対して改変または修正できること、および、本明細書で説明されている分析ユニットの多くの代案実施形態の生産がこの開示を考慮して可能であることは即座に理解されよう。全てのそのような改変、修正、および、追加の実施形態は本明細書で考慮されており、かつ、この説明および従属する特許請求の範囲の範囲内に該当することが意図されている。以下の説明は、いかなる形でも本発明の範囲を限定することは意図されていない。   In particular, the present invention is directed to a fully integrated optical grating coupled surface plasmon resonance analysis unit. In the following, particularly preferred embodiments of the invention will be described with reference to the drawings. However, the design features described can be altered or modified for a particular purpose, and the production of many alternative embodiments of the analysis unit described herein is possible in light of this disclosure That will be understood immediately. All such alterations, modifications, and additional embodiments are contemplated herein and are intended to fall within the scope of this description and the dependent claims. The following description is not intended to limit the scope of the invention in any way.

図1はユーザが接触する必要のあるユニット自体の各部のみ、すなわち、バッファ/試薬瓶(50)、試料チューブ(40)、および、センサ(または、フロー・セル)ローディング・ドア(110)を含む本発明の1つの実施形態を示す。他の全ての機能は自動になっており、かつ、コンピュータを介してユーザにより入力されたパラメータおよび指示を使用してコンピュータ・プログラムにより制御される。   FIG. 1 includes only the parts of the unit itself that need to be contacted by the user: the buffer / reagent bottle (50), the sample tube (40), and the sensor (or flow cell) loading door (110). 1 illustrates one embodiment of the present invention. All other functions are automatic and are controlled by a computer program using parameters and instructions entered by the user via the computer.

図2を参照すると、ユニットはユニット内に収容された支持フレーム(70)を含み、かつ、センサ・ローディング・ドア(110)を介して(センサを含むフロー・セルなどの)センサ・ユニットを収容するように設計された(図示されていない)目標領域を含む。1つの実施形態において、センサ・ユニットは様々な分子結合相互反応を伝導および分析するために適した格子結合表面プラズモン共鳴(GCSPR)チップを含むことができる。典型的なフロー・セルはセンサ・チップが配置された反応領域、各溶液(バッファ、試薬溶液、試料溶液など)を反応領域を横切って流れるように導入することができる反応領域の1つの端部に隣接した入力ポート、および、反応領域からの流動流体溶液を回収されるべきセンサ・チップから離れるように差向け、廃棄するために排出し、または、センサとの追加の接触のために入力ポートを介して再循環することができる、入力ポートから反応領域の反対側にある端部に隣接した出力ポートを含む。入力ポートおよび出力ポートは、分析ユニット内へのフロー・セルの挿入の時点で、両ポートが分析ユニットの内部流体力学系との接点となり、それにより、ユニットに含まれている試料コンテナならびに他の流体貯蔵槽および受け器との連絡を確立するように構成されている。   Referring to FIG. 2, the unit includes a support frame (70) housed in the unit and houses a sensor unit (such as a flow cell containing sensors) via a sensor loading door (110). It includes a target area (not shown) designed to In one embodiment, the sensor unit can include a lattice-coupled surface plasmon resonance (GCSPR) chip suitable for conducting and analyzing various molecular binding interactions. A typical flow cell is a reaction zone where the sensor chip is located, one end of the reaction zone where each solution (buffer, reagent solution, sample solution, etc.) can be introduced to flow across the reaction zone. And an input port for directing fluid fluid solution from the reaction area away from the sensor chip to be collected, draining it for disposal, or for additional contact with the sensor And an output port adjacent to the end opposite the reaction zone from the input port, which can be recirculated through. The input and output ports are at the point of insertion of the flow cell into the analysis unit, both ports being in contact with the internal hydrodynamic system of the analysis unit, so that the sample container and other It is configured to establish communication with the fluid reservoir and the receptacle.

加えて、図2は本発明に関連する多くの構造体の関係を示す。特に、図2は旋回する光源組立体(10)、検出組立体(20)、内部流体力学系の蠕動ポンプ(62)、および、センサを収容している目標領域を収容する保温室組立体(30)を示す。センサがユニット内に一旦ローディングされれば、光源(10)は(図示されていない)センサ上に光のビームを差向ける。好ましい実施形態において、センサは、ユニットの照明および反射の検出組立体により走査することができる目標ROIのアレイが押印または堆積された反射性の金の表面を有する格子結合SPRチップである。ROIは、試料溶液中の検体と相互作用が可能な(例えば、抗体、アプタマー、一本鎖DNA分子などの)結合半体の濃縮から作成されている。フロー・セルおよび流体力学系はそのようなROIを支持するセンサの表面を横切る流れによりこのような溶液を導入するように、ならびに、光源から照明を受光し、かつ、センサ画像を検出器組立体に向けて反射するために静止した目標位置に同時に存在するように設計され、検出器組立体は、リアルタイムで、センサの表面上で発生している結合または他の化学反応事象を示す光学データを出力する。   In addition, FIG. 2 shows the relationships of many structures relevant to the present invention. In particular, FIG. 2 shows a rotating light source assembly (10), a detection assembly (20), an internal fluid dynamics peristaltic pump (62), and a greenhouse assembly containing a target area containing a sensor ( 30). Once the sensor is loaded into the unit, the light source (10) directs a beam of light over the sensor (not shown). In a preferred embodiment, the sensor is a grid coupled SPR chip having a reflective gold surface imprinted or deposited with an array of target ROIs that can be scanned by the unit's illumination and reflection detection assembly. ROIs are created from the concentration of bound halves (eg, antibodies, aptamers, single stranded DNA molecules, etc.) that can interact with analytes in a sample solution. The flow cell and fluid dynamics system introduces such a solution by flow across the surface of a sensor supporting such ROI, and receives illumination from a light source and detects the sensor image in a detector assembly Designed to be simultaneously at a stationary target position for reflection towards the detector assembly, the detector assembly provides real-time optical data indicating binding or other chemical reaction events occurring on the sensor surface. Output.

再び図2を参照すると、特に好ましい実施形態において、光源組立体(10)はユニットのフレーム(70)に旋回可能に装着されている。旋回性の装着は、光源からの光ビームが、目標領域に関してある範囲の角度を介して動くことを可能にする。代案として、光源は、それ自体がフレームに旋回可能に装着されている構造体に装着することができる。光源組立体(10)の自動旋回は、例えば、光源組立体上のステップ・モータ(12)の動きにより影響を受ける光ビーム角の変化を正確に記録することができるユニットのフレームに装着されたステップ・モータ(12)により達成される。   Referring again to FIG. 2, in a particularly preferred embodiment, the light source assembly (10) is pivotally mounted to the unit frame (70). The pivoting mounting allows the light beam from the light source to move through a range of angles with respect to the target area. As an alternative, the light source can be mounted on a structure that itself is pivotally mounted to the frame. The automatic turning of the light source assembly (10) is mounted on the frame of a unit capable of accurately recording changes in the light beam angle affected by, for example, the movement of the step motor (12) on the light source assembly. Achieved by step motor (12).

一旦センサが所定の位置に置かれ、かつ、動作が開始すれば、光源は光のビームをセンサ上に、所定の角度で開始し、かつ、ある範囲の角度にわたり円弧状の経路またはパターンで継続して差向ける。センサの表面から反射された光は、レンズ組立体(22)およびCCDカメラなどの検出器(24)を含む静止検出器ユニット(20)に向けて差向けられる。   Once the sensor is in place and operation begins, the light source starts a beam of light on the sensor at a predetermined angle and continues in a circular path or pattern over a range of angles. Then point it. The light reflected from the sensor surface is directed towards a stationary detector unit (20) that includes a lens assembly (22) and a detector (24) such as a CCD camera.

図3は本発明の分析ユニットの基本的要素の斜視立面図である。特に、図3は、周囲で旋回可能アーム(9)が回転可能なシャフト(15)に装着された旋回アーム(9)を介して装着された光源組立体(10)を示す。シャフト(15)は、光源組立体全体が円弧状の経路で移動できるように(図示されていない)ユニット・フレームに装着される。光源の角度に関する位置の変化に関するデータは、光源の装着の旋回点において含むことができる回転式符号化器組立体(120)などの何らかのタイプの角位置符号化器により報告される。符号化された角位置データは、検出器(24)により受信された共鳴のデータと共にコンピュータに対して出力され、コンピュータは共鳴認定アルゴリズムを適用し、かつ、センサ表面上で発生している現象に関して報告する。好ましくは、SPRデータに対して、ユニットは、2003年8月1日に出願の同時係属かつ共通譲渡の米国特許仮出願第60/492061号明細書に説明されている如くのSPR曲線決定のためのEPFアルゴリズムを利用する。   FIG. 3 is a perspective elevation view of the basic elements of the analysis unit of the present invention. In particular, FIG. 3 shows a light source assembly (10) mounted via a swivel arm (9) mounted on a shaft (15) around which a swivel arm (9) can rotate. The shaft (15) is mounted on a unit frame (not shown) so that the entire light source assembly can move in an arcuate path. Data regarding the change in position with respect to the angle of the light source is reported by some type of angular position encoder such as a rotary encoder assembly (120) that may be included at the turning point of the light source installation. The encoded angular position data is output to a computer along with the resonance data received by the detector (24), the computer applies a resonance qualification algorithm and relates to the phenomenon occurring on the sensor surface. Report. Preferably, for SPR data, the unit is used to determine the SPR curve as described in co-pending and commonly assigned US Provisional Application No. 60 / 49,2061, filed Aug. 1, 2003. The EPF algorithm is used.

図3に示された実施形態において、旋回可能光源アーム(9)はステップ・モータ(12)により駆動されている。モータはユニットのフレームに固定することができ、かつ、光源または旋回可能光源アームと噛み合うための手段を含む。代案実施形態において、ステップ・モータは光源または旋回可能光源アームに装着することができ、かつ、静止フレームと噛み合うための手段を装備することができる。図3に示された実施形態において、ステップ・モータはユニットのフレームに固定され、線形スライド機構(14)を介して旋回可能光源アーム(9)に1つの端部で装着され、かつ、反対側の端部でステップ・モータと噛み合っている線形アーム(16)を介して、旋回可能光源アーム(9)と、したがって、光源組立体(10)と接触している。モータが動作されると、線形アームは前方または後方に駆動され、それにより、センサ(112)に関して様々な角度に光源を位置決めする。線形アーム(16)は平滑とすることができるか、または、ネジ山を切ることができ、この場合、ステップ・モータはネジ山を切られたアームを受け入れるための手段を含み、かつ、線形アームを回転型の動きに動作させる。サーボ・モータおよび磁気駆動システムを含めた他の様々な方法も採用することができる。   In the embodiment shown in FIG. 3, the pivotable light source arm (9) is driven by a step motor (12). The motor can be secured to the frame of the unit and includes means for meshing with the light source or pivotable light source arm. In an alternative embodiment, the stepper motor can be mounted on the light source or pivotable light source arm and can be equipped with means for engaging the stationary frame. In the embodiment shown in FIG. 3, the stepper motor is fixed to the frame of the unit, mounted at one end to the pivotable light source arm (9) via a linear slide mechanism (14), and on the opposite side Is in contact with the pivotable light source arm (9) and thus the light source assembly (10) via a linear arm (16) meshing with the stepper motor at the end of the light source. When the motor is operated, the linear arm is driven forward or backward, thereby positioning the light source at various angles with respect to the sensor (112). The linear arm (16) can be smooth or threaded, in which case the step motor includes means for receiving the threaded arm and the linear arm To operate in a rotational movement. Various other methods can also be employed including servo motors and magnetic drive systems.

図3に示された実施形態において、ステップ・モータ(12)は自身の動作により引き起こされた入射光角度(Δθ)の変化を正確に記録することができる。代案として、旋回可能に搭載された光源組立体は光源の角度の変化の正確な報告のための回転式符号化器を装備することができる。続いて、角度のデータが、検出器カメラ(24)からの反射強度のデータと共に、既に説明した如くの共鳴認定アルゴリズムに送られる。好ましい実施形態において、符号化器は旋回シャフト(15)を介して旋回光源アーム(9)に装着され、かつ、符号化器筐体(120)内に搭載されたベアリングにより支持されている。1つの分析から次の分析への一貫した角度の読みを確実にするために、回転式符号化器は各分析の開始において参照点を精密に決定するための内蔵式索引付けマークを含む。   In the embodiment shown in FIG. 3, the stepper motor (12) can accurately record the change in incident light angle (Δθ) caused by its operation. Alternatively, the pivotable light source assembly can be equipped with a rotary encoder for accurate reporting of light source angle changes. Subsequently, the angle data is sent along with the reflection intensity data from the detector camera (24) to the resonance qualification algorithm as already described. In a preferred embodiment, the encoder is mounted on the swivel light source arm (9) via a swivel shaft (15) and is supported by bearings mounted in the encoder housing (120). To ensure consistent angular reading from one analysis to the next, the rotary encoder includes a built-in indexing mark to accurately determine the reference point at the start of each analysis.

図4は本発明の旋回可能光源アーム(9)を含む光源組立体(10)の1つの実施形態の詳細な図を示す。アームは、アームをユニットに旋回可能に固定するための基部板(18)、光源をフレーム(19)に固定するための手段、光源組立体(10)の回転運動を動作に作動する静止モータに組立体(10)を接続するための線形スライド(14)を含む。線形ローラ・ベアリング(17)が示され、これらはフレームに関する組立体の非振動性の動きを確保するために含むことができる。   FIG. 4 shows a detailed view of one embodiment of a light source assembly (10) including a pivotable light source arm (9) of the present invention. The arm is a base plate (18) for pivotally fixing the arm to the unit, means for fixing the light source to the frame (19), and a stationary motor that operates the rotational movement of the light source assembly (10). It includes a linear slide (14) for connecting the assembly (10). Linear roller bearings (17) are shown and can be included to ensure non-vibrating movement of the assembly relative to the frame.

動作において、モータ(図3の12)は(照明)光源をセンサ(112)を越えて円弧状の経路またはパターンで動かし、このことは、センサ(112)に当たる照明の角度を連続的に変化させる。このように、光源の角度を変化させることはセンサに当たる入射光の角度を変化させる。センサは、光源が自身の角度範囲を介して動かされる間、光のコリメートされたビームがチップ表面上の1つの位置に固定されて留まるように、光源の角度範囲の光学的頂点に設置されている。このことは、コリメートされたビーム強度のいかなる空間的不均一性も、入射角が走査される間、センサ表面上に不動にされた分析対象領域(ROI)に関して実質的に固定されたまま留まり、かつ、共鳴の偽の明白な角度シフトにつながることがある測定された共鳴のプロファイルの歪を形成しないことを確実にするうえでセンサが役立つことにおいて、本発明においては特に有利である。   In operation, the motor (12 in FIG. 3) moves the (illumination) light source in a circular path or pattern beyond the sensor (112), which continuously changes the angle of illumination that strikes the sensor (112). . Thus, changing the angle of the light source changes the angle of incident light striking the sensor. The sensor is placed at the optical apex of the angular range of the light source so that the collimated beam of light stays fixed at one position on the chip surface while the light source is moved through its angular range. Yes. This means that any spatial non-uniformity of the collimated beam intensity remains substantially fixed with respect to the area of interest (ROI) that has been immobilized on the sensor surface while the angle of incidence is scanned, And, it is particularly advantageous in the present invention that the sensor helps to ensure that it does not create distortion of the measured resonance profile that can lead to false apparent angular shifts of resonance.

代案実施形態において、光源自体はユニットのフレームに直接に旋回可能に装着することができる。別の実施形態において、光源組立体の旋回点(図3の15)はモータまたは他の回転作動手段の位置とすることができる。   In an alternative embodiment, the light source itself can be pivotably mounted directly to the unit frame. In another embodiment, the pivot point (15 in FIG. 3) of the light source assembly can be the position of a motor or other rotational actuation means.

図4に見られるように、光源組立体(10)はセンサに差向けられている照明を発生するためのLED組立体(11)などの光源を含む。1つの実施形態において、LED組立体は印刷回路板上に搭載された単一875nmLEDを含み、不要の光を遮断するための(図示されていない)別個の開口要素をさらに含む。しかし、単一波長光源(または、狭帯域波長光源)は重要ではなく、ある範囲の波長が本明細書で考慮されているSPR分析を実行するために適している。LED筐体のための調整機構は、好ましくは、コリメートされた光源ビームの2度の横方向オフセット角を発生するために必要とされる軸から離れた位置に光源を位置合わせするために、好ましくは含まれている。LEDを包み込むいかなるプラスチック筐体も、好ましくは、LEDのダイの前の余剰なプラスチックおよび表面欠陥を除去するために、平坦にヤスリをかけられ、かつ、高度に研磨されている。このことは正確なコリメートを可能にし、かつ、プラスチック製表面の欠陥により引き起こされた光のいかなる散乱も最小に抑える。発明者は、多くの市販LEDを包み込んでいるプラスチックの上の元の球形表面が通常の応用例においてはLEDビームを差向けるための低品質レンズとして機能するが、このような設計は、ビームのコリメートを劣化させることによりSPR系における共鳴プロファイルの鋭さに大幅に干渉することを発見した。LEDのプラスチック製筐体を光学的に平坦化することは、SPR雑音を大幅に、かつ、驚くほどに低減した。したがって、光学的に平坦な外装を提示すことは、プラスチック製被包のないLEDを調達するために、または、平坦な被包を持つLEDを得るために、または、得られたLEDの被包を研削するためにLED光源を使用する時に最も好ましい。   As seen in FIG. 4, the light source assembly (10) includes a light source, such as an LED assembly (11), for generating illumination directed to the sensor. In one embodiment, the LED assembly includes a single 875 nm LED mounted on a printed circuit board and further includes a separate aperture element (not shown) for blocking unwanted light. However, the single wavelength light source (or narrowband wavelength light source) is not critical and is suitable for performing SPR analysis where a range of wavelengths is considered herein. An adjustment mechanism for the LED housing is preferably used to align the light source at a position away from the axis required to generate a 2 degree lateral offset angle of the collimated light source beam. Is included. Any plastic housing enclosing the LED is preferably flattened and highly polished to remove excess plastic and surface defects in front of the LED die. This allows accurate collimation and minimizes any scattering of light caused by plastic surface defects. The inventor found that the original spherical surface on the plastic enveloping many commercially available LEDs serves as a low quality lens for directing the LED beam in normal applications, but such a design is It has been discovered that degrading the collimator significantly interferes with the sharpness of the resonance profile in the SPR system. Optically flattening the plastic housing of the LED significantly and surprisingly reduced SPR noise. Thus, presenting an optically flat exterior is to procure an LED without plastic encapsulation, or to obtain an LED with a flat encapsulation, or to encapsulate the resulting LED Most preferred when using an LED light source to grind.

図4に見られるように、光源は、センサの表面に差向けられているLEDにより発生された光の特性を最適化するための光源光学系組立体(13)も含む。1つの実施形態において、光源光学系組立体はレンズ・チューブ(13)に収容され、かつ、LEDダイの発光領域の寸法によってのみ制限された程度まで光をコリメートするための球面収差補正済みレンズをさらに含む。光源光学系組立体は不要な波長を遮断するための干渉フィルタ、および、センサに入射するP偏光を供給するために配向された(図示されていない)近赤外線形偏光器を典型的にさらに含む。従来の複合二重型色消しレンズは、この応用例に対して十分な球面収差補正を提供する。レンズ・チューブは、LEDにより発生された光のコリメートを最適化するためにコリメート・レンズを合焦させるための手段も提供する。   As can be seen in FIG. 4, the light source also includes a light source optics assembly (13) for optimizing the characteristics of the light generated by the LED being directed to the surface of the sensor. In one embodiment, the light source optics assembly is housed in a lens tube (13) and includes a spherical aberration corrected lens for collimating light to a degree limited only by the size of the light emitting area of the LED die. In addition. The light source optics assembly typically further includes an interference filter for blocking unwanted wavelengths and a near infrared polarizer (not shown) oriented to provide P-polarized light incident on the sensor. . A conventional composite dual achromatic lens provides sufficient spherical aberration correction for this application. The lens tube also provides a means for focusing the collimating lens to optimize the collimation of the light generated by the LED.

本発明の好ましい実施形態において、光源ビームは(例えば、本発明の試作機器の規模で約2.3nmの)短い距離だけ光学系の中心線からずれており、このことは約2度の角度上のビームのスキューをもたらす。このずれは、機器内の様々な光学表面から反射する光により引き起こされるいずれのゴースト反射も低減するために使用されている。特に、非順次光線追跡分析は、検出器平面内の迷光の集中した各点(以下にさらに詳細に検討される「ホット・スポット」)が、光学系組立体内、特に検出器組立体の画像形成レンズ内の様々な対の光学表面間で発生する二重反射の複数のセットの結果である得ることを実証している。これらのホット・スポットは、SPR角が走査の過程にわたり変化するに従い移動し、特定のROIにおけるSPR共鳴の形状への追加の歪をもたらし、かつ、そのため、SPR分析の不正確さをもたらす。   In a preferred embodiment of the present invention, the source beam is offset from the center line of the optical system by a short distance (eg, about 2.3 nm on the scale of the prototype device of the present invention), which is about an angle of about 2 degrees. Cause beam skew. This offset is used to reduce any ghost reflections caused by light reflecting from various optical surfaces in the instrument. In particular, non-sequential ray tracing analysis allows each point of stray light concentration in the detector plane (a “hot spot” to be discussed in more detail below) to image the optical assembly, particularly the detector assembly. It has been demonstrated that it can be the result of multiple sets of double reflections occurring between various pairs of optical surfaces in a lens. These hot spots move as the SPR angle changes over the course of the scan, resulting in additional distortion to the shape of the SPR resonance at a particular ROI, and hence inaccuracies in the SPR analysis.

本発明の好ましい光学系はホット・スポットまたは画像フレアの発生を最小に抑えるための3つの特徴の1つまたは組み合わせを含む。すなわち、(1)(以下に説明される)検出器組立体の画像形成レンズ組立体内の全てのレンズ表面が光源の動作波長、すなわち、好ましい単一波長実施形態において875nmに調整された高効率多層反射防止コーティングでコーティングされている、(2)本発明の新規な態様として、軸をはずれた横方向ビーム・スキュー、すなわち、上記に説明された光源のずれ、および、(3)横方向ビーム・スキューと組み合わせられた、画像形成レンズ内の軸からずれたスロット形開口絞り、である。これらの特徴は従来技術の系において知られているホット・スポットを大幅に低減することが見出されている。   Preferred optical systems of the present invention include one or a combination of three features to minimize the occurrence of hot spots or image flare. (1) A highly efficient multilayer where all lens surfaces in the imaging lens assembly of the detector assembly (described below) are tuned to the operating wavelength of the light source, ie 875 nm in the preferred single wavelength embodiment. Coated with an anti-reflective coating, (2) as a novel aspect of the present invention, off-axis lateral beam skew, ie, the deviation of the light source described above, and (3) lateral beam A slot-shaped aperture stop, offset from the axis in the imaging lens, combined with skew. These features have been found to significantly reduce the hot spots known in prior art systems.

上記に述べられたように、本発明の光学分析ユニットは光源の位置、および、したがって、照明がセンサの表面上に突き当たっている角度を精密に報告するための(図示されていない)精密回転符号化器も含むことができる。1つの実施形態において、回転符号化器はユニットのフレームに搭載され、かつ、フレームへの装着の回転符号化器の旋回可能点において光源組立体に装着されている。好ましい実施形態において、回転符号化器は旋回シャフト、符号化器筐体、および、符号化器を含む。回転符号化器は、光源の角度に関するデータを、各カメラ画像に対応する送信中の光源の角位置を解釈するようにプログラムされたコンピュータに報告する。各全角走査に対するこの角度データおよびカメラ画像データは、センサ・チップ上の各ROIにおけるSPR共鳴角のリアルタイムの決定のための適切なアルゴリズムに入力される。   As stated above, the optical analysis unit of the present invention is a precision rotation code (not shown) for accurately reporting the position of the light source and hence the angle at which the illumination is striking the surface of the sensor. Can also be included. In one embodiment, the rotary encoder is mounted on the frame of the unit and is mounted on the light source assembly at a pivotable point of the rotary encoder mounted on the frame. In a preferred embodiment, the rotary encoder includes a pivot shaft, an encoder housing, and an encoder. The rotary encoder reports data relating to the angle of the light source to a computer programmed to interpret the angular position of the transmitting light source corresponding to each camera image. This angle data and camera image data for each full-angle scan is input into an appropriate algorithm for real-time determination of the SPR resonance angle at each ROI on the sensor chip.

図2に見られるように、本発明の光学分析ユニットは、反応がアレイ・センサの表面上で進行するに従い、最大何千もの反応座またはROIの各々における光学共鳴角の変化を測定するために、センサの表面から反射された光を受光するため、および、その光を分析するための検出器組立体(20)を含む。   As can be seen in FIG. 2, the optical analysis unit of the present invention is for measuring changes in the optical resonance angle at each of up to thousands of reaction loci or ROIs as the reaction proceeds on the surface of the array sensor. A detector assembly (20) for receiving the light reflected from the surface of the sensor and for analyzing the light.

図5は本発明による分析ユニットに適した検出器組立体(20)の断面図である。好ましい実施形態において、検出器は、センサ(図3および6の112)の表面から反射された照明を受光するための開口(130)を含む画像レンズ組立体(22)、多数の自由度で検出器組立体を調整するための内部(23)、中央(25)、および、外部(27)のジンバル座組立体、検出器内に搭載された(図示されていない)CCDチップなどの光学感応性感知要素を含む単色電荷結合素子(CCD)カメラ(24)などの検出器、上記に説明されたウォーキング効果に伴う収差を低減するための補正器板(21)、(例えば、CCDカメラ内のCCDチップなどの)検出器感知要素の保護のための、かつ、感知要素に不活性雰囲気を供給することによりカメラの周辺以下の温度での動作を可能にするためのCCD窓(28)、ならびに、周辺よりも冷たくすることができるCCD窓(28)上の核形成座における発生から汚染物質蒸気の凝結を低減するための受動的寒冷フィンガ(26)を含む。このような凝結点は、存在すれば、光を散乱し、かつ、影響を受けるROIにおいて走査角度依存の信号変動を持ち込む。   FIG. 5 is a cross-sectional view of a detector assembly (20) suitable for an analysis unit according to the present invention. In a preferred embodiment, the detector detects in multiple degrees of freedom, an image lens assembly (22) that includes an aperture (130) for receiving illumination reflected from the surface of the sensor (112 in FIGS. 3 and 6). Optical sensitivity such as internal (23), central (25) and external (27) gimbal seat assemblies for adjusting the instrument assembly, CCD chips (not shown) mounted in the detector A detector such as a monochromatic charge-coupled device (CCD) camera (24) including an intelligent element, a corrector plate (21) for reducing aberrations associated with the walking effect described above (eg, a CCD in a CCD camera) CCD window (28) for protection of detector sensing elements (such as chips) and for enabling operation at temperatures below the periphery of the camera by providing an inert atmosphere to the sensing elements. Beauty, including passive cold finger (26) for reducing condensation of contaminant vapors from the occurrence of nucleation locus on CCD window (28) which can be cooler than the surroundings. Such condensation points, if present, scatter light and introduce scanning angle dependent signal variations in the affected ROI.

好ましい検出器は(a)動作波長において適切な量子効率を有し、(b)(検出器が冷却される必要があってもなくても)暗信号のずれおよび応答の恒常性に対して好ましくは温度が安定されており、(c)通常のSPR測定条件下での信号が実質的にフォトン・ショット雑音が制限されるように、十分に低い暗雑音および読み出し雑音、ならびに、十分なアナログ/デジタル変換器(ADC)分解能、(d)センサ目標ROIを明確に解像するために十分な数の画素を有し、(e)角走査速度に追従するために十分速く読み出されることができ、かつ、(f)前述のショット雑音を最小に抑えるために可能な限り大きな画素ウェル電子容量を有するように選択されたCCDカメラである。より詳細には、画素数および画素ウェル容量は、ROI画像を構成する画素の全ての総結合電荷容量を最大化するために選択されるべきである。この好ましい実施形態はCCDカメラを使用するが、CMOSカメラなどの他の固体アレイ・カメラも検出器として採用することができる。   Preferred detectors are (a) have adequate quantum efficiency at the operating wavelength, and (b) preferred for dark signal drift and response constancy (whether or not the detector needs to be cooled) Is stable in temperature, and (c) sufficiently low background and readout noise, and sufficient analog / sound so that the signal under normal SPR measurement conditions is substantially limited to photon shot noise. Digital converter (ADC) resolution, (d) has a sufficient number of pixels to clearly resolve the sensor target ROI, and (e) can be read out fast enough to follow the angular scan rate, And (f) a CCD camera selected to have as large a pixel well electronic capacity as possible to minimize the aforementioned shot noise. More specifically, the number of pixels and the pixel well capacity should be selected to maximize the total combined charge capacity of all the pixels making up the ROI image. Although this preferred embodiment uses a CCD camera, other solid-state array cameras such as CMOS cameras can also be employed as detectors.

センサの表面から反射された照明のデータの収集および分析を最適化するためには、検出器組立体が、特別に補正された大開口数二重テレセントリック・レンズ系を利用することが好ましい。「テレセントリック」とは、物体平面または画像平面から見られると、レンズ開口絞りが無限遠にあることを指す。言い換えれば、物体平面(または、画像平面)上の全ての点からのアクセプタンス円錐が同じ方向を指している、すなわち、円錐の軸が平行となることである。「二重テレセントリック」とは、このことが、物体側(センサ・チップ)および画像側(検出器感知要素)の双方に対して真実であることを意味する。テレセントリック性は不可欠ではないが、本発明において、特に物体側では非常に有利である。なぜなら、アレイ上の全てのROIの歪んでいない画像が走査角度範囲の全体にわたり利用可能でなければならないからである。テレセントリック設計を使用して、レンズ開口は物体平面内のどこでも同じ形で入射角に直接にマッピングでき、レンズの開口絞りの完全な広がりは全てのフィールド点における角走査範囲を収容するために(すなわち、センサ・チップの表面全体にわたり)使用することができる。上記に述べられたように、本発明に関した二重テレセントリックは検出器においてもテレセントリック性を示し、かつ、本発明において有利である。なぜなら、同二重テレセントリック性が、検出器感知要素(CCDチップ)上の入射角の極端なものを最小に抑え、かつ、極端な走査角度における異なったROI間での検出器感度の大きな変化を回避するうえで役立つからである。本発明において、二重テレセントリック性はレンズ系の各半体を別個にテレセントリックにすることにより達成され、それにより、中間開口絞り、すなわち、スロットは、物体空間(センサ・チップ)および画像空間(CCDチップ)の双方から見られた場合に無限遠にあるように見える。   In order to optimize the collection and analysis of illumination data reflected from the sensor surface, the detector assembly preferably utilizes a specially corrected large numerical aperture double telecentric lens system. “Telecentric” refers to the lens aperture stop being at infinity when viewed from the object plane or image plane. In other words, the acceptance cones from all points on the object plane (or image plane) point in the same direction, i.e. the cone axes are parallel. “Dual telecentric” means that this is true for both the object side (sensor chip) and the image side (detector sensing element). Telecentricity is not essential, but is very advantageous in the present invention, particularly on the object side. This is because all ROI undistorted images on the array must be available throughout the scan angle range. Using a telecentric design, the lens aperture can be directly mapped to the incident angle in the same shape anywhere in the object plane, and the full extent of the lens aperture stop to accommodate the angular scan range at all field points (ie , Over the entire surface of the sensor chip). As stated above, the dual telecentricity related to the present invention is also telecentric in the detector and is advantageous in the present invention. This is because the dual telecentricity minimizes the extreme incidence angle on the detector sensing element (CCD chip) and also greatly changes the detector sensitivity between different ROIs at extreme scan angles. Because it helps to avoid. In the present invention, dual telecentricity is achieved by making each half of the lens system telecentric separately, so that the intermediate aperture stop, i.e. the slot, is in object space (sensor chip) and image space (CCD). It appears to be at infinity when viewed from both sides.

この特別なレンズ系は、横方向倍率が選択されたCCDチップの面積に対するSPRセンサ・チップ活性幅に適合するように設計され、かつ、ほぼ10度(物体側の開口数0.10)の走査角度範囲にわたり、センサ・フィールド全体にわたり画像の動き(ROIシフト)を最小に抑えるように特に最適化されていた。この最適化は、干渉フィルタの4nmの半値全幅(FWHM)により決定された如くの採用された狭波長範囲も考慮している。必要な限られたスペクトル帯域幅は色収差の制御に対する必要性を排除し、このことは、全ての要素に対する単一高屈折率ガラス・タイプの使用を可能にし、したがって、費用を低減する。結果として得られる残存色収差は大きくない。このことは特に有利である。なぜなら、設計の自由度は消費されず、色収差および歪に対して制御するからである。同じく、単一のガラスが色補正済みの系においては多数のガラスの平均屈折率より大きな屈折率を有することができるため、ROIシフト収差を制御するためには、より少ないレンズ要素が必要である。事実、双方の要求(すなわち、ROIシフトの排除および広帯域色補正)が、同等のレンズ設計においていかなる合理的な費用においても達成できることは明白でない。当然、通常は色収差のない市販のテレセントリックCCDレンズは、本発明を使用して達成されたウォークの要件には近づいていない。   This special lens system is designed to fit the SPR sensor chip active width for the area of the selected CCD chip with a lateral magnification, and scans approximately 10 degrees (numerical aperture 0.10 on the object side). It was specifically optimized to minimize image motion (ROI shift) over the sensor range over the angular range. This optimization also takes into account the adopted narrow wavelength range as determined by the 4 nm full width at half maximum (FWHM) of the interference filter. The limited spectral bandwidth required eliminates the need for chromatic aberration control, which allows the use of a single high index glass type for all elements, thus reducing costs. The resulting residual chromatic aberration is not great. This is particularly advantageous. This is because the degree of freedom of design is not consumed and control is performed for chromatic aberration and distortion. Similarly, fewer lens elements are needed to control ROI shift aberrations because a single glass can have a refractive index greater than the average refractive index of many glasses in a color corrected system. . In fact, it is not clear that both requirements (ie, elimination of ROI shift and broadband color correction) can be achieved at any reasonable cost in an equivalent lens design. Of course, commercially available telecentric CCD lenses that are typically free of chromatic aberrations are not approaching the walk requirements achieved using the present invention.

図6は本発明の検出器組立体内の新規なレンズ系を含む様々な要素の図を表す。図6に示された実施形態において、目標領域センサ(112)と検出器感知要素(113)の間に位置決めされたレンズ組立体は、屈折性要素121〜124で作成された対物区間(120)、スロット開口(130)、屈折性要素126〜129で作成された画像形成区間(125)、補正器板(21)、および、検出器窓(28)を含む。図5を参照して上記に説明された受動的寒冷フィンガ要素の相対位置は、図6の要素26により示されている。図6は光が(図示されていない)光源からセンサ・チップ(112)上に突き当たり、続いて、レンズ光学系(120、125)、スロット開口(130)、および、補正器板(21)を介してセンサに反射されセンサを離れ、検出器窓(28)を介して検出器感知要素(113)上に反射される間の光の経路(点線)も示す。   FIG. 6 represents a diagram of the various elements including the novel lens system within the detector assembly of the present invention. In the embodiment shown in FIG. 6, the lens assembly positioned between the target area sensor (112) and the detector sensing element (113) has an objective section (120) created with refractive elements 121-124. A slot opening (130), an imaging section (125) made of refractive elements 126-129, a corrector plate (21), and a detector window (28). The relative position of the passive cold finger elements described above with reference to FIG. 5 is indicated by element 26 in FIG. FIG. 6 shows that light strikes the sensor chip (112) from a light source (not shown), followed by the lens optics (120, 125), slot aperture (130), and corrector plate (21). It also shows the path of light (dotted line) while being reflected off the sensor through and leaving the sensor and reflected onto the detector sensing element (113) via the detector window (28).

この特別なレンズ組立体設計は特に有利である。なぜなら、標準的な「市販品」のレンズ系および従来のテレセントリック・レンズ設計は、角度の範囲を介して旋回アームが走査する間、CCDカメラ上で適切な画像安定性を維持することができないからであり、これを維持することは本明細書に説明されている光学分析ユニットの最適な性能に対して不可欠である。上記に概説されたように、カメラは、分析されるべき目標に対応するセンサ上の分析対象領域(ROI)を識別する。従来のレンズ系におけるフィールド・サイズおよび開口サイズの双方に依存する高次収差により、センサ上に固定されたROIの光学画像は、照明角度が走査されている間、検出器表面を横切って移動または「ウォーク」し、測定雑音の増加につながる。このことは、特に、軸をはずれたフィールド点において、および、レンズ軸から大きな走査角度偏差において起こる。従来の如く照明された系において、この場合におけるような小さな点状区画よりも、むしろ全開口絞りが照明されている場合に、責任のある収差はフィールドの曲率、非点収差、および、コマ収差を含む。重要なことに、物体フィールドの傾斜(例えば、ここで好ましい構成においては通常21度)およびScheimpflugの原理により結果的に得られる画像平面の傾斜が、測定雑音の低減の困難さに加わる。しかし、角走査SPRにおいては、上記に述べられたこれらの収差の分類は直接に適用可能または有用ではなく、入射角に応じた画像シフトの数値上の最小化が設計手順において必要とされる。単純な歪などのフィールド半径および開口角の双方には依存しない収差がSPRの結果に通常は影響を及ぼさないことに注意されたい。   This special lens assembly design is particularly advantageous. Because standard “commercial” lens systems and traditional telecentric lens designs cannot maintain proper image stability on a CCD camera while the swivel arm scans through a range of angles. Maintaining this is essential for optimal performance of the optical analysis unit described herein. As outlined above, the camera identifies the region of interest (ROI) on the sensor that corresponds to the target to be analyzed. Due to higher order aberrations that depend on both the field size and aperture size in conventional lens systems, the optical image of the ROI fixed on the sensor moves across the detector surface while the illumination angle is scanned or “Walk” and increase measurement noise. This occurs in particular at off-axis field points and at large scan angle deviations from the lens axis. In conventional illuminated systems, when the full aperture stop is illuminated, rather than a small point segment as in this case, the responsible aberrations are field curvature, astigmatism, and coma. including. Importantly, the tilt of the object field (eg, typically 21 degrees in the preferred configuration here) and the tilt of the image plane resulting from the Scheimpflag principle add to the difficulty of reducing measurement noise. However, in angular scan SPR, these aberration classifications described above are not directly applicable or useful, and a numerical minimization of image shift as a function of incident angle is required in the design procedure. Note that aberrations that do not depend on both field radius and aperture angle, such as simple distortion, usually do not affect SPR results.

上記に説明された二重テレセントリック・レンズ組立体は、本明細書に説明されたウォーキングの問題を解決するために特別に設計および最適化され、かつ、特別に構成された開口絞りが間に挟みこまれた、各々が高効率多層反射防止コーティングを有する4つの要素を、各々が含む対物区間および画像形成区間を含む。最も好ましい実施形態におけるレンズ組立体の軌道長は272mmである。   The dual telecentric lens assembly described above is specially designed and optimized to solve the walking problem described herein and sandwiched between specially configured aperture stops. It includes an objective section and an imaging section, each containing four elements, each having a high-efficiency multilayer anti-reflective coating. The track length of the lens assembly in the most preferred embodiment is 272 mm.

二重テレセントリック設計は大きな角走査範囲(10度の機械的な総移動量に対して±5度)を収容する一方、対物および画像形成の双方の区間においてガラス要素の直径を最小に抑える。(図6を参照。)要素の直径を制限し続けることは、続いて、レンズの費用および重量を低減し、かつ、収差の制御を容易にする。   The double telecentric design accommodates a large angular scan range (± 5 degrees for a total mechanical displacement of 10 degrees) while minimizing the diameter of the glass elements in both the objective and imaging sections. (See FIG. 6.) Continuing to limit the diameter of the element subsequently reduces the cost and weight of the lens and facilitates aberration control.

図6に示されたように、スロット形状の開口(130)が従来の円形開口絞りの代わりに選択された。レンズは(画像空間における0.18に対応する)物体空間における0.10の開口数(NA)の円形開口全体の使用を可能にするために十分に良好に補正されているが、本明細書において説明されたSPRの応用例は開口全体の使用は必要としない。したがって、開口は、センサおよび他の表面からの拡散散乱により引き起こされた迷光を低減するように、かつ、多数の鏡面反射による残存「ホット・スポット」を排除するように、好ましくは設計されている。開口は、(a)センサ表面上にROI点を堆積する際に印刷可能な領域の正確な位置を決定するために役立つことにより使用可能性を高めるように、かつ、(b)自動点発見アルゴリズムが採用されている際に点自体の位置を決定するための参照位置として機能するように設計されたセンサ上の基準マークの空間的分解能の上昇も可能にする。   As shown in FIG. 6, a slot shaped aperture (130) was chosen instead of the conventional circular aperture stop. The lens has been corrected sufficiently well to allow the use of an entire circular aperture with a numerical aperture (NA) of 0.10 in object space (corresponding to 0.18 in image space). The SPR application described in does not require the use of the entire aperture. Thus, the aperture is preferably designed to reduce stray light caused by diffuse scattering from sensors and other surfaces, and to eliminate residual “hot spots” due to multiple specular reflections. . The aperture is (a) increases usability by helping to determine the exact location of the printable area when depositing ROI points on the sensor surface, and (b) an automatic point finding algorithm It also allows an increase in the spatial resolution of fiducial marks on the sensor designed to serve as a reference position for determining the position of the point itself when.

いずれの1つのセンサ照明角度においても、センサ表面から反射されたゼロ次光は開口平面において比較的小さな点を占有し、そのため、瞬間的な開口は現在の走査角度に中心を置く小さな円に原則的に限定される。この円は(1)光源の有限のコリメート角を包含するため、かつ、より重要なことに、(2)小さなROI区画の、ならびに、基準マークおよび同マークにエッチングされた、または、その他でセンサ表面上に配置された識別文などのセンサ・チップ補助構造物の忠実な画像形成を妨害することがある画像解像度の過剰な回折ぶれを回避するために十分大きくする必要がある。この必要な円形開口区画が角走査中に開口平面を横切って線形的に移動することにより、好ましい合成最小値開口は細長いスロットの形態を取る。スロットの長さは所望の角SPR走査長により決定される一方、スロットの幅は画像内の回折擬似信号を最小に抑えるように選択されている。   At any one sensor illumination angle, the zero order light reflected from the sensor surface occupies a relatively small point in the aperture plane, so the instantaneous aperture is in principle a small circle centered on the current scan angle. Limited. This circle (1) encompasses a finite collimating angle of the light source and, more importantly, (2) of the small ROI section and of the reference mark and the same mark etched or otherwise sensor It needs to be large enough to avoid excessive diffractive blurring of image resolution that can interfere with faithful imaging of sensor chip ancillary structures such as identification text placed on the surface. This required circular aperture section moves linearly across the aperture plane during angular scanning so that the preferred composite minimum aperture takes the form of an elongated slot. The slot length is determined by the desired angular SPR scan length, while the slot width is selected to minimize the diffraction spurious signal in the image.

したがって、図6に見られるように、本発明の新規な開口絞りは好ましくは丸い、または、四角形の端部を持つスロットの形態となっている。この改善は、レンズ開口の不要な部分に対応する角度における拡散した散乱光を排除することにより、迷光背景を最小に抑え、かつ、明白なSPR共鳴の深さを増大する。典型的な開口幅および長さは物体空間においてそれぞれ約3度および13度に対応する。好ましくは、光源のずれを適合し、かつ、上記に検討された如くの多反射ホット・スポットを排除するために採用された横方向ビーム・スキューを収容するために、スロット開口は横方向に2度ずれているか、または、光軸から約2mmずれている。加えて、ホット・スポットはレンズ要素上の多層反射防止コーティングにより部分的に支持することができる。スロット開口は所定の場所に固定、または、光学的位置合わせの手順での便宜のために取外し可能のいずれかとすることができる。   Thus, as seen in FIG. 6, the novel aperture stop of the present invention is preferably in the form of a slot with round or square ends. This improvement minimizes stray light background and increases the apparent SPR resonance depth by eliminating diffuse scattered light at angles corresponding to unwanted portions of the lens aperture. Typical aperture widths and lengths correspond to about 3 degrees and 13 degrees, respectively, in the object space. Preferably, the slot aperture is 2 in the lateral direction to accommodate lateral beam skew employed to accommodate light source offsets and eliminate multi-reflecting hot spots as discussed above. Degree of deviation, or about 2 mm from the optical axis. In addition, the hot spots can be partially supported by a multilayer antireflective coating on the lens element. The slot opening can be either fixed in place or removable for convenience in the optical alignment procedure.

図6に示されたように、SPR中央角、すなわち、光源からの照明が走査中央でセンサ・チップの表面に当たる角度は、センサ・チップの表面で約21度である。したがって、レンズの軸は、この角度に中心を置く角走査範囲を最良に収容するためにチップ表面に垂直から21度の角度に設定されている。フィールド全体にわたる最良の画像品質のために、検出器表面は、示されたように、レンズの軸に対して約12度傾けられている。精密な角度は光線追跡の最適化により選択され、かつ、ウォーク最小化基準を使用して調整されるが、よく知られているScheimpflug条件によりほぼ与えられる。   As shown in FIG. 6, the SPR central angle, ie, the angle at which the illumination from the light source strikes the surface of the sensor chip at the center of the scan is about 21 degrees at the surface of the sensor chip. Therefore, the lens axis is set at an angle of 21 degrees from the normal to the chip surface to best accommodate the angular scan range centered at this angle. For best image quality across the field, the detector surface is tilted about 12 degrees relative to the lens axis as shown. The precise angle is selected by ray tracing optimization and is adjusted using the walk minimization criterion, but is approximately given by the well-known Scheimpflug condition.

本発明によれば、フィールド全体、すなわち、センサ・チップ上の全てのROIにわたり画像品質をさらに最適化するために、残存ROI画像シフト、および、フィールドおよび画像平面の傾斜からもたらされる他の収差、すなわち、21度のセンサの通常傾斜および12度の検出器要素の通常傾斜は、約20度の角度で傾けられた約1mmの厚さの平坦なガラス補正器板(21)により追加的に補償されている。この板は画像品質およびウォーク性能の幾分かの劣化を伴って省くことができるが、好ましくは含まれている。本発明の動作実施形態において、横方向倍率は、センサ・チップ幅をCCDのチップ寸法に適合させるために0.57である。フィールドの傾斜により、縦方向倍率はこれより低く、約0.53である。   In accordance with the present invention, the residual ROI image shift and other aberrations resulting from field and image plane tilt to further optimize image quality across the entire field, i.e., all ROIs on the sensor chip, That is, the normal tilt of the 21 degree sensor and the normal tilt of the 12 degree detector element is additionally compensated by a flat glass corrector plate (21) of about 1 mm thickness tilted at an angle of about 20 degrees. Has been. This plate can be omitted with some degradation in image quality and walk performance, but is preferably included. In an operational embodiment of the invention, the lateral magnification is 0.57 in order to adapt the sensor chip width to the CCD chip size. Due to the slope of the field, the vertical magnification is lower, about 0.53.

同じく、図5に見られるように、かつ、図6に位置が示されたように、本発明のレンズ組立体は、データ分析にために検出器組立体の感度を高めるための受動的寒冷フィンガ(26)を好ましくは含む。詳細には、検出器窓(28)と補正器板(21)の間の空隙におけるより暖かい表面により脱気された空中浮遊汚染物質蒸気は、普通は検出器窓である最も寒冷な表面に対して吸引される。検出器窓または補正器板上に不均一に蒸着することは、SPR信号の雑音およびドリフトの増加につながる強度の変動を引き起こす。この問題を解決するために、高伝導率金属、例えば銅で作成された受動的寒冷フィンガは空隙の外の大きな熱質量に接続され、かつ、雰囲気温度を維持するように設計され、フィンガが空隙内での最も寒冷な物体であり、かつ、それにより、検出器窓または補正器板上に吸引および堆積されるべき蒸気から離れるよりも、むしろ蒸気をフィンガに引き寄せることを確実にする。   Similarly, as seen in FIG. 5 and as shown in FIG. 6, the lens assembly of the present invention is a passive cold finger for increasing the sensitivity of the detector assembly for data analysis. (26) is preferably included. In particular, airborne contaminant vapor degassed by the warmer surface in the gap between the detector window (28) and the corrector plate (21) is usually against the coldest surface, which is the detector window. Sucked. Non-uniform deposition on the detector window or corrector plate causes intensity variations that lead to increased noise and drift in the SPR signal. To solve this problem, passive cold fingers made of high conductivity metals, such as copper, are connected to a large thermal mass outside the air gap and are designed to maintain ambient temperature so that the finger is It is the coldest object in it and thereby ensures that the vapor is drawn to the fingers rather than away from the vapor to be aspirated and deposited on the detector window or corrector plate.

図5に見られるように、多数の軸の周囲および同軸に沿った検出器組立体(20)の位置または向きは、多数のジンバル座、すなわち、検出器組立体に固定された内部ジンバル座(23)、内部ジンバル座に固定された中央ジンバル座(25)、および、ユニットのフレームに固定された外部(27)ジンバル座の使用を介して調整することができる。詳細には、ジンバル座は、6つの方向(X、Y、Z(図6を参照)、ρ、σ、および、φ)においてセンサを持つ検出器(24)内の画像記録検出器感知要素を位置合わせするために使用される。この位置合わせは、検出器感知要素(例えば、CCDカメラ・チップ)の活性領域を、光学系により形成されたセンサ・アレイの拡大され、かつ、傾けられた画像と精密に一致させるために必要である。X軸またはY軸に沿った向きは内部ジンバル座に関してカメラを移動させることにより調整される。Z軸(すなわち、レンズ組立体の光軸)に沿った向きは、センサの位置に関して検出器の位置を揺らせることにより達成される。X軸の周囲の回転ρは内部ジンバル座により調整され、Y軸の周囲の回転σは中央ジンバル座により調整され、かつ、Z軸の周囲の回転φは、内部ジンバルに関して検出器の位置を調整することにより、検出器組立体を、例えばセンサの平面に関して回転させることにより調整される。最も好ましい実施形態において、レンズ組立体は検出器とは独立に調整可能であり、検出器感知要素に到達する反射センサ画像の微調整を可能にする。   As can be seen in FIG. 5, the position or orientation of the detector assembly (20) around multiple axes and along the same axis corresponds to multiple gimbal seats, i.e., internal gimbal seats fixed to the detector assembly ( 23), can be adjusted through the use of a central gimbal seat (25) fixed to the inner gimbal seat and an outer (27) gimbal seat fixed to the frame of the unit. Specifically, the gimbal has an image recording detector sensing element in a detector (24) with sensors in six directions (X, Y, Z (see FIG. 6), ρ, σ, and φ). Used to align. This alignment is necessary to precisely match the active area of the detector sensing element (eg, CCD camera chip) with the magnified and tilted image of the sensor array formed by the optics. is there. The orientation along the X or Y axis is adjusted by moving the camera with respect to the internal gimbal seat. Orientation along the Z axis (ie, the optical axis of the lens assembly) is achieved by swinging the detector position relative to the sensor position. The rotation ρ around the X axis is adjusted by the internal gimbal seat, the rotation σ around the Y axis is adjusted by the central gimbal seat, and the rotation φ around the Z axis adjusts the position of the detector with respect to the internal gimbal. By doing so, the detector assembly is adjusted, for example, by rotating it relative to the plane of the sensor. In the most preferred embodiment, the lens assembly is adjustable independently of the detector, allowing fine adjustment of the reflected sensor image reaching the detector sensing element.

ジンバル座は、センサ反射と検出器感知要素により受光された画像の間の適合を最適化するために検出器組立体の向きを調整するために有用である。この対応が一旦最適化されれば、検出器組立体はセンサを収容する目標領域の位置に関して静止させられる。したがって、走査動作において、光源のみが動くこと(すなわち、センサに突き当たる入射光の角度の変更)が可能であり、センサおよび検出器組立体は実質的に静止、または、可能な限り静止に留まる。一旦調整されれば、検出器組立体は固定化ネジを例えば使用してロックまたは固定化され、目標領域の設計は、フロー・セルが光源からの入射照明を反射するための正しい位置に、かつ、分析ユニット内に組み込まれたいずれの流体力学系とも接点となるための正しい位置に固定化されるようなものになる。可動光源に関したセンサおよび検出器の固定化は、動作中の光源の位置と検出器の位置を調整する必要性を回避し、かつ、データ収集後データ処理において補償アルゴリズムを使用して画像経路の変動に対して補償する必要性を回避する。   The gimbal seat is useful for adjusting the orientation of the detector assembly to optimize the fit between the sensor reflection and the image received by the detector sensing element. Once this correspondence has been optimized, the detector assembly is stationary with respect to the position of the target area containing the sensor. Thus, in a scanning operation, only the light source can move (ie, change the angle of incident light impinging on the sensor) and the sensor and detector assembly remain substantially stationary or as stationary as possible. Once adjusted, the detector assembly is locked or fixed using, for example, fixing screws, and the target area design is in the correct position for the flow cell to reflect incident illumination from the light source, and , Any fluid dynamic system incorporated in the analysis unit is fixed at a correct position to be a contact point. Sensor and detector immobilization with respect to a moving light source avoids the need to adjust the position of the active light source and the detector, and uses a compensation algorithm in post-data collection data processing to correct the image path. Avoid the need to compensate for variations.

図2に部分的に見られるように、本発明の機器は試薬および試料をセンサの表面に差向けるための複雑な流体力学系(60)も含むことができる。図7に示された好ましい実施形態において、試薬および試料がセンサと接触した後、流体力学系は、ユーザが、任意のセンサ領域(112)への再循環またはユニットからの取出しのために、センサ(112)を含むフロー・セルに存在する流体を廃棄物受け器(63)に、もしくは、代わりに、回収容器(64)に差向け、または試料貯蔵槽(40)に差向け戻すことを可能にするように設計されている。   As seen in part in FIG. 2, the instrument of the present invention can also include a complex hydrodynamic system (60) for directing reagents and samples to the surface of the sensor. In the preferred embodiment shown in FIG. 7, after the reagent and sample contact the sensor, the hydrodynamic system allows the user to recirculate to any sensor area (112) or remove from the unit. Fluid present in the flow cell containing (112) can be directed to the waste receptacle (63) or alternatively to the collection vessel (64) or back to the sample reservoir (40) Designed to be.

図7に見られるように、流体力学系に一体化されたバッファ貯蔵槽(50)に追加された(例えば、洗浄溶液などの)試薬は、例えば蠕動ポンプ(62)によって、貯蔵槽から流体力学系内に吸引される。しかし、真空、強制空気、電気運動などの導管系を介して流体を引く、または、推進させるためのいずれの知られている方法も使用することができる。好ましい特徴において、試薬は、上記に説明されたように、流体力学系内に一体化された脱気系(80)を介して通過され、続いて、センサ(112)の表面に差向けられる。図1および2に示されたように、ユニットはバッファ貯蔵槽(50)に隣接した試料領域(40)を含むことができる。図2に示されたように、試料領域(40)は試料注入弁体(42)を介して流体力学系に一体化されている。試料領域は、試料領域に収容された(図示されていない)別個の試料チューブ内に(例えば、検体または検出抗体などの)いくつかの試料を別個に保存するように設計されている。上記の試薬のように、試料は、蠕動ポンプを例えば介して注入弁体によりチューブの1つから吸引される。試料はセンサの表面に差向けられ、かつ、表面との接触の後、さらに、廃棄物受け器(63)へ差向けられるか、再循環およびセンサとの再接触のために系を介して、ユニットからの取出しのために元の試料チューブ(40)に、または、特別な試料復帰チューブ(64)へ差向け戻されるかのいずれかとなる。加えて、図7に示されたように、本発明の流体力学系は、特定の流路を介して流体を差向けるために、示された如くの六方弁(66)などの多流路弁を利用することができる。ユニットは、ユニットに含まれている隔壁継手(67)と接続することにより追加のバッファに対する追加の回線(65)も含むことができる。   As seen in FIG. 7, reagents (eg, cleaning solutions) added to the buffer reservoir (50) integrated into the hydrodynamic system are removed from the reservoir by a peristaltic pump (62), for example. It is sucked into the system. However, any known method for drawing or propelling fluids through conduit systems such as vacuum, forced air, electrical motion, etc. can be used. In a preferred feature, the reagent is passed through a degassing system (80) integrated within the hydrodynamic system, as described above, and subsequently directed to the surface of the sensor (112). As shown in FIGS. 1 and 2, the unit can include a sample region (40) adjacent to a buffer reservoir (50). As shown in FIG. 2, the sample region (40) is integrated with the hydrodynamic system via the sample injection valve body (42). The sample region is designed to separately store several samples (eg, analytes or detection antibodies) in separate sample tubes (not shown) housed in the sample region. Like the reagent above, the sample is aspirated from one of the tubes by an injection valve body, for example via a peristaltic pump. The sample is directed to the surface of the sensor and, after contact with the surface, is further directed to a waste receptacle (63) or through the system for recirculation and re-contact with the sensor, Either returned to the original sample tube (40) for removal from the unit or to a special sample return tube (64). In addition, as shown in FIG. 7, the hydrodynamic system of the present invention is a multi-channel valve such as a six-way valve (66) as shown to direct fluid through a specific channel. Can be used. The unit can also include additional lines (65) for additional buffers by connecting with bulkhead joints (67) included in the unit.

本発明の光学分析ユニットに組み込まれている流体力学系は、最も好ましくは、
シリンジ・ポンプ(65)により駆動される高速パルス化流を供給することができる「気泡破裂」脱気ユニット(80)も含む。このような気泡破裂系は、取外し可能なフロー・セルを収容するように、すなわち、それにより、(このフロー・セルに含まれている)センサが一定して変化することができるように設計された系における固有の問題を克服するために使用される。新しいフロー・セルを動作させると、バッファで満たした後にセルの隙間内に気泡が残るのが一般的である。気泡は、試料の切換え中および他の流体力学的動作中に偶発的に導入されることもある。これらの気泡は影響を受けたROI上の測定を妨害し、かつ、除去されなければならない。気泡は、特に本発明におけるようにセルの寸法が低減された場合に、除去が困難となり得る。我々は、臨界排斥流速(CDF)を超えた非常に大きな流体流速の短時間の印加が、フロー・セル表面における湿潤張力の不均一性により、または、幾何学的形状の不連続により捕えられた気泡を除去できると決定した。
The hydrodynamic system incorporated in the optical analysis unit of the present invention is most preferably
Also included is a “bubble rupture” degassing unit (80) capable of supplying a high speed pulsed flow driven by a syringe pump (65). Such a bubble rupture system is designed to accommodate a removable flow cell, ie, the sensor (contained in this flow cell) can be constantly changed. Used to overcome inherent problems in the system. When a new flow cell is operated, it is common for bubbles to remain in the cell gap after filling with buffer. Bubbles may be introduced accidentally during sample switching and other hydrodynamic operations. These bubbles interfere with measurements on the affected ROI and must be removed. Bubbles can be difficult to remove, particularly when the cell dimensions are reduced as in the present invention. We have observed that the application of very high fluid flow rates beyond the critical rejection flow rate (CDF) for short periods of time is due to wet tension non-uniformities at the flow cell surface or due to geometric discontinuities. It was determined that bubbles could be removed.

例えば、センサ表面上の不均一な表面特性により平面セル内に捕らえられた気泡を除去するために必要とされるCDFは、気泡の下流側の湿潤張力(τ)が上流側の湿潤張力(τ)より大きくなるように、以下によりほぼ与えられる。
CDF=Wh{τ−τ}/(6ηL)
ここで、Wはセルの幅、hはセル隙間の高さ、ηは流体の速度、かつ、Lは流れの軸に沿った気泡の名目上の長さである。微分湿潤張力Δτ=τ−τは大雑把に見積もることができ、現実において遭遇する実際の数値は通常は実験により見出される。分析は幾何学的規模を明確に示すが、この規模は気泡滞留の他の機構に対して同じであることが見出されている。臨界流量は隙間の高さが減少するに従い急速に低下するが、圧力は臨界流量の増加に伴い降下する。同じく、もし湿潤張力の差が小さな距離を越えて存続するなら、気泡の長さへの逆依存性は、非常に小さな(すなわち、短い)気泡が除去が困難となり得ることを示す。
For example, the CDF required to remove bubbles trapped in a planar cell due to non-uniform surface characteristics on the sensor surface is such that the wet tension (τ 2 ) downstream of the bubbles is equal to the upstream wet tension (τ to be greater than τ 1 ), approximately given by
CDF = Wh 22 −τ 1 } / (6ηL)
Where W is the cell width, h is the height of the cell gap, η is the fluid velocity, and L is the nominal length of the bubble along the flow axis. The differential wetting tension Δτ = τ 2 −τ 1 can be roughly estimated, and the actual values encountered in reality are usually found experimentally. Although the analysis clearly shows a geometric scale, this scale has been found to be the same for other mechanisms of bubble retention. The critical flow rate decreases rapidly as the gap height decreases, but the pressure drops as the critical flow rate increases. Similarly, if the wet tension difference persists over a small distance, the inverse dependence on bubble length indicates that very small (ie, short) bubbles can be difficult to remove.

大流量のパルスの多数の印加が、1つの「粘着」場所から次の「粘着」場所に気泡が移動する間に気泡を排除するために、通常必要であることが決定されている。フロー・セルからいずれの気泡も除去するために、流体力学系は、小流量インピーダンス流体流路を例えば介してセンサ・セルに「気泡破裂」、または、高流速パルスを印加するために使用することができる容積式ポンプ(シリンジ・ポンプ)を組み込んでいる。加えて、気泡に対するリアルタイムのモニタリングは流体力学的動作を中断することができ、かつ、蓄積する可能性のあるいずれの気泡も「破裂」させることができる。   It has been determined that multiple applications of large flow pulses are usually necessary to eliminate bubbles while they move from one “sticky” location to the next “sticky” location. To remove any bubbles from the flow cell, the hydrodynamic system should be used to apply a “bubble rupture” or high flow rate pulse to the sensor cell via, for example, a small flow impedance fluid flow path It incorporates a positive displacement pump (syringe pump). In addition, real-time monitoring for bubbles can interrupt the hydrodynamic operation and “burst” any bubbles that may accumulate.

SPR分析は温度および温度変動に極端に敏感であり、そのため、このパラメータは可能な限り厳格に制御されなければならない。系の安定性を維持するために、ならびに、センサの表面上で進行している結合反応に関する正確かつ一貫したデータを生成するために、ユーザが開示されたユニットの内部環境の温度に対する制御を有することが重要である。したがって、ユーザが系内の温度を迅速かつ精密に調節すること、流体力学系を通過している試薬および試料の温度を調節すること、および、センサの表面上の結合反応の温度を制御することを可能にするために、この発明による光学分析ユニット内への組み込みために、図2に見られるような光学保温室が設計されている。   SPR analysis is extremely sensitive to temperature and temperature fluctuations, so this parameter must be controlled as closely as possible. In order to maintain the stability of the system, as well as to generate accurate and consistent data regarding the binding reactions proceeding on the surface of the sensor, the user has control over the temperature of the internal environment of the disclosed unit This is very important. Thus, the user can quickly and precisely adjust the temperature in the system, adjust the temperature of reagents and samples passing through the hydrodynamic system, and control the temperature of the binding reaction on the surface of the sensor In order to make it possible, an optical greenhouse is designed for incorporation into the optical analysis unit according to the invention, as seen in FIG.

加えて、ユーザが、雰囲気温度より上および下の双方の様々な温度で実験を行なうことを可能にすることが望ましい。これを達成するために、図2に見られるように、保温室は、センサが所在する目標領域を収容し、かつ、上述の流体力学系の少なくとも一部を収容する。好ましい実施形態において、保温室は、循環ファン、降温装置、熱フューズ、および、センサを含む比例積分導関数(PID)制御熱電素子モジュールを含む。   In addition, it is desirable to allow the user to perform experiments at various temperatures both above and below the ambient temperature. To achieve this, as seen in FIG. 2, the greenhouse holds the target area where the sensor is located and contains at least part of the hydrodynamic system described above. In a preferred embodiment, the warming room includes a proportional integral derivative (PID) controlled thermoelectric module that includes a circulation fan, a cooler, a heat fuse, and a sensor.

好ましい保温室は図8に示されている。保温室は、保温室内の熱定安定性を維持する断熱発泡剤(32)で有利に裏打ちされている。この断熱材は、環境または機器の動作により引き起こされることのある温度の変動に対して、センサ領域、センサ表面における入来流体、および、センサの表面上で発生する反応を保護する。図8に描かれているのは、目標領域の所定の場所にセンサ(フロー・セル)を正確に位置決めし、かつ、確実に保持するための保温室内の頂部板組立体(34)、および、センサを目標領域内に搬送するための機構である。センサ領域に対する四方弁(図7の36)の近接は同図内の番号36で示されている。(図示されていない)光学センサは頂部板に対するセンサ(フロー・セル)の正確な位置決めを決定するために含むことができる。入来流体の熱的安定性を維持するための受動的予備加熱器(38)も示されている。例えばひれ付き銅で作成されたこれらの受動的予備加熱器は閉鎖環境内で空気を循環させることを介して、かつ、熱交換ブロック内の溝内に埋め込まれた流体力学配管の壁を介して伝導により流体へ、または、流体から熱を搬送することを介して、保温室の温度を緊密に追跡する。降温装置の成型材料は配管と予備加熱器の間の小さな隙間を充填するために塗布されている。   A preferred greenhouse is shown in FIG. The warming chamber is advantageously lined with an insulating foaming agent (32) that maintains the thermal stability within the warming chamber. This insulation protects the sensor area, incoming fluid at the sensor surface, and reactions occurring on the sensor surface against temperature fluctuations that can be caused by the environment or the operation of the instrument. Depicted in FIG. 8 is a top plate assembly (34) in a warming chamber for accurately positioning and securely holding a sensor (flow cell) in place in a target area; and It is a mechanism for transporting the sensor into the target area. The proximity of the four-way valve (36 in FIG. 7) to the sensor area is indicated by numeral 36 in the figure. An optical sensor (not shown) can be included to determine the precise positioning of the sensor (flow cell) relative to the top plate. A passive preheater (38) for maintaining the thermal stability of the incoming fluid is also shown. These passive preheaters, for example made of finned copper, are used to circulate air in a closed environment and through the walls of hydrodynamic piping embedded in grooves in the heat exchange block It closely tracks the temperature of the thermal chamber through the transfer of heat to or from the fluid by conduction. The molding material of the temperature lowering device is applied to fill a small gap between the pipe and the preheater.

受動的予備加熱器に対する代替物は追加のサーボ・ループを使用した流体流の能動的加熱および冷却の使用である。しかし、受動的流体力学的熱交換器は費用および単純さに基づき、かつ、同熱交換器が不完全なフィードバック制御による温度サイクルまたは雑音を導入しないため好ましい。受動的熱交換器を使用することの困難さは、熱が熱交換器に、または、それから流れるために有限の温度差が必要であることである。この差は要求される熱束に比例し、したがって、流体流速、熱容量、および、流体温度の所望の上昇または下降に依存する。   An alternative to a passive preheater is the use of active heating and cooling of the fluid stream using an additional servo loop. However, passive hydrodynamic heat exchangers are preferred because they are based on cost and simplicity and do not introduce temperature cycles or noise due to imperfect feedback control. The difficulty of using a passive heat exchanger is that a finite temperature difference is required for heat to flow to or from the heat exchanger. This difference is proportional to the required heat flux and therefore depends on the fluid flow rate, heat capacity, and the desired increase or decrease in fluid temperature.

予備加熱器の究極の達成内容は、流体を保温室と同じ温度に、したがって、センサの温度に可能な限り近づけることである。しかし、配管の内外に熱を流すことは流体と保温室内の空気の間に温度差を必要とする。センサのフロー・セルに進入する流体と処方されたセンサ温度の間の温度のいかなる差もセンサの所望の温度を変化させる、このことは重大な問題を課す。正確なSPR応答は高度に温度依存である。したがって、もし予備加熱器が十分な熱質量を持っていたなら、予備加熱器は降温装置または熱貯蔵器として機能できたが、流体および保温室の温度が極端になるより長い動作実行は、貯蔵器の最終的な加熱または冷却を引き起こし、熱SPRドリフトをもたらす。さらに、このような大きな熱質量は、同じく必要とされる保温室の温度の調整への迅速な平衡化を抑える。   The ultimate achievement of the pre-heater is to bring the fluid as close as possible to the temperature of the chamber and thus to the temperature of the sensor. However, flowing heat in and out of the pipe requires a temperature difference between the fluid and the air in the greenhouse. Any difference in temperature between the fluid entering the sensor flow cell and the prescribed sensor temperature will change the desired temperature of the sensor, which poses a serious problem. The exact SPR response is highly temperature dependent. Thus, if the pre-heater had sufficient thermal mass, the pre-heater could function as a cooler or heat storage, but longer operation executions where the temperature of the fluid and the greenhouse would be extreme would be Cause final heating or cooling of the vessel, resulting in thermal SPR drift. In addition, such a large thermal mass also reduces the rapid equilibration to the required warmer temperature adjustment.

本明細書で説明されている新規な解決策は各流体回線のための流体力学熱交換器を熱的に隔離され、かつ、直列に接続された多数の区分に分離することである。この設計によれば、区分された熱交換器に対する全体のサイズおよび流体力学的絶対的体積は、同じ取出し口温度誤差を達成するために設計された単一段の両者よりも劇的に小さい。実際には、第1のこのような段は流体流を保温室の温度に持ってくるために必要な全熱流量の大部分を搬送する一方、温度誤差を温度誤差の本来の値の何分の1かに低減するが、保温室の温度のはるか下方のブロック温度で動作し、かつ、流体流を所望の温度から未だに離れたままにする。次の同様の段は同様の要因による誤差を低減し、その後も同様である。   The novel solution described herein is to separate the hydrodynamic heat exchanger for each fluid circuit into a number of sections that are thermally isolated and connected in series. According to this design, the overall size and hydrodynamic absolute volume for a segmented heat exchanger is dramatically smaller than both single stages designed to achieve the same outlet temperature error. In practice, the first such stage carries most of the total heat flow required to bring the fluid stream to the temperature of the chamber, while the temperature error is a fraction of the original value of the temperature error. Operating at a block temperature far below the temperature of the thermal chamber, and still keeps the fluid flow away from the desired temperature. The next similar stage reduces errors due to similar factors, and so on.

等温空気流中の個別の熱交換器区分の性能は以下に概略を示すように評価することができる。熱は等温空気流からアルミニウムまたは銅などの高伝導性材料のひれ付きブロック内に、および、続いて、ブロック内の通路を通過している流体流中に、または、ブロックとの良好な熱的接触にある配管を介して搬送される。
図:空気/区分/水熱交換器区間の1つの区分の熱的分析
The performance of individual heat exchanger sections in an isothermal air stream can be evaluated as outlined below. Heat is transferred from an isothermal air stream into a finned block of highly conductive material such as aluminum or copper, and then into a fluid stream passing through a passage in the block or good thermal with the block It is conveyed through the piping in contact.
Figure: Thermal analysis of one section of air / section / water heat exchanger section

Figure 0004840593
Figure 0004840593

前述の方式において、Qは定常状態条件下で温度TAIRにおける空気から区分内の液体流に搬送されている熱パワーである。液体の体積流速はF、密度はρ、かつ、熱容量はcである。ひれ付きブロックに対する強制空気の熱伝導係数はh、有効面積はA、かつ、液体チューブの熱収容係数はfTAである。fTAが流速Fの関数であることに注意されたい。上図に示された連立方程式を解くと、区分の取出し口温度TOUTLETに対して以下を得る。
OUTLET=TINLET+{fTAhA/(hA+FρcTA)}{TAIR−TINLET
ここで、TINLETはこの特定の区分に対する取入れ口温度である。
上記の方程式は以下に定義される「温度誤差低減係数」Rについて書き直すことができる。
R≡(TAIR−TOUTLET)/(TAIR−TINLET
以下が結果である。
R=1−[1/fTA+1/β]−1
ここで、βは以下により与えられる区分の相対空気熱伝導効率の次元のない測定値である。
β=hA/(Fρc
全ての場合において、流体温度終了係数fTA(F)は以下により拘束され、
0<fTA<1
かつ、β>0であるから、Rは同じ以下の拘束も受けている。
0<R<1
In the above scheme, Q is the thermal power being transferred from the air at temperature TAIR to the liquid stream in the section under steady state conditions. Volumetric flow rate of the liquid F, the density [rho, and the heat capacity is c p. The heat transfer coefficient of forced air for the finned block is h, the effective area is A, and the heat accommodation coefficient of the liquid tube is fTA . Note that f TA is a function of flow rate F. Solving the simultaneous equations shown in the above figure gives the following for the outlet temperature T OUTLET of the section.
T OUTLET = T INLET + {f TA hA / (hA + Fρc p f TA )} {T AIR −T INLET )
Where T INLET is the inlet temperature for this particular segment.
The above equation can be rewritten for a “temperature error reduction factor” R defined below.
R≡ (T AIR −T OUTLET ) / (T AIR −T INLET )
The following is the result.
R = 1− [1 / f TA + 1 / β] −1
Where β is a dimensionless measurement of the relative air heat transfer efficiency of the section given by:
β = hA / (Fρc p )
In all cases, the fluid temperature termination factor f TA (F) is constrained by:
0 <f TA <1
And since β> 0, R is also subjected to the same following constraints.
0 <R <1

典型的に、各区分はfTA>0.9、かつ、β>6となるように設計され、そのため、単一段Rの値はR<0.22である。このことは、多段受動的熱交換器の独立した区分が温度の食い違いを、その食い違いの以前の値の約20%に、または、より少なく低減することを意味する。 Typically, each partition is designed such that f TA > 0.9 and β> 6, so that the value of single stage R is R <0.22. This means that an independent section of a multi-stage passive heat exchanger reduces the temperature discrepancy to about 20% or less of the previous value of the discrepancy.

与えられた流体流速において、各熱交換器区分は、常に1より小さく、かつ、典型的に0.20以下である固定係数Rにより、流体温度と保温室温度の間の差を低減するように機能する。したがって、直列に接続されたn個の多数の熱的に隔離された区分にわたり、流体温度誤差は幾何級数的にRの如くに低減する。区分の数を適切に選択することにより、SPR信号に対するいかなる有害な影響も最小に抑えるか、または、排除するために、流体温度のセンサとの不適合を許容可能な、または、瑣末な値にさえ低減することが可能となる。我々は、3つから4つの区分が一般に適切であり、温度平衡、流体力学的絶対的体積、および、流速の間の最適なバランスを提供することを見出している。 For a given fluid flow rate, each heat exchanger section is always less than 1 and a fixed factor R, typically 0.20 or less, to reduce the difference between the fluid temperature and the greenhouse temperature. Function. Thus, over a number of n thermally isolated sections connected in series, the fluid temperature error is reduced geometrically as R n . Appropriate selection of the number of segments allows acceptable or even poor values for fluid temperature incompatibility to minimize or eliminate any detrimental effect on the SPR signal. It becomes possible to reduce. We have found that three to four sections are generally appropriate and provide an optimal balance between temperature equilibrium, hydrodynamic absolute volume, and flow rate.

上記に述べられたように、本ユニットを使用して正確なSPRデータを生成するためには、ユーザが、センサの表面上の結合反応が進行する雰囲気温度を制御する能力を有することが有利である。この点において、ユーザが、試薬および試料がセンサとの接触に先立ち流体力学系を介して流れる間に両者の温度を制御する能力を有することも有利である。動作の温度感応性要素に対するこの制御を達成するために、光学分析ユニット内に組み込まれたいずれの流体力学系の少なくとも一部を上記に説明されたものなどの保温室内に収容させることが好ましい。好ましくは、保温室内に収容された流体力学系の一部は結合反応が発生する場所に最も近い、すなわち、センサに近い区間であり、センサ自体を含む。   As stated above, in order to generate accurate SPR data using this unit, it is advantageous that the user has the ability to control the ambient temperature at which the binding reaction on the sensor surface proceeds. is there. In this regard, it is also advantageous for the user to have the ability to control the temperature of both the reagent and sample while flowing through the hydrodynamic system prior to contact with the sensor. In order to achieve this control over the temperature sensitive element of operation, it is preferred that at least a portion of any hydrodynamic system incorporated within the optical analysis unit is housed in a greenhouse, such as those described above. Preferably, the part of the hydrodynamic system housed in the greenhouse is the section closest to the place where the binding reaction takes place, i.e. close to the sensor, including the sensor itself.

前述の説明から、この発明による革新的な特徴を組み込んでいるSRPおよび他の光学分析機器の多くの様々な実施形態が可能である。全てのこのような実施形態は、本明細書で開示された特定の好ましい設計の明白な改変を含めて、以下の特許請求の範囲により規定された如くのこの発明の範囲内となることを意図されている。   From the foregoing description, many different embodiments of SRP and other optical analysis instruments incorporating innovative features according to the present invention are possible. All such embodiments are intended to be within the scope of this invention as defined by the following claims, including obvious modifications to the specific preferred designs disclosed herein. Has been.

上記に引用された出版物および文書の全ては参照により本明細書に組み込まれている。   All publications and documents cited above are incorporated herein by reference.

外部カバーが装着された本発明の光学共鳴分析ユニット(100)を示す図である。ユニットの設計は、ユーザに、試薬/バッファ瓶(50)、試料チューブ(40)、および、外部カバーを外さずにセンサ(または、センサ・チップを含むフロー・セル)をユニット内に挿入するためのチップ・ドア(110)を提供する。他の全てのユニットの機能は、ユニットに接続されたコンピュータにユーザが入力するコマンドにより制御することができる。It is a figure which shows the optical resonance analysis unit (100) of this invention with which the external cover was mounted | worn. The unit design allows the user to insert the sensor (or flow cell containing the sensor chip) into the unit without removing the reagent / buffer bottle (50), sample tube (40), and outer cover. Chip door (110). The functions of all other units can be controlled by commands entered by a user into a computer connected to the unit. カバーが外された図1のユニットを示す図である。旋回アーム、検出組立体(20)、および、保温室(30)を含む光源組立体(10)を含めて、ユニットの主要構成部分が目視可能である。FIG. 2 shows the unit of FIG. 1 with the cover removed. The main components of the unit are visible, including the swivel arm, the detection assembly (20), and the light source assembly (10) including the warming chamber (30). 旋回光源アーム(9)に装着され、かつ、検出器組立体(20)に関連した光源組立体(10)の1つの実施形態を示す図である。矢印はセンサ(112)上に突き当たる光源(11)からの照明の方向(下向き矢印)およびセンサ(112)の表面から反射され、かつ、検出器組立体(20)の方向(上向き矢印)における照明を示す。FIG. 2 shows one embodiment of a light source assembly (10) attached to a swivel light source arm (9) and associated with a detector assembly (20). The arrow is reflected in the direction of illumination from the light source (11) impinging on the sensor (112) (down arrow) and the surface of the sensor (112) and in the direction of the detector assembly (20) (up arrow) Indicates. 光源(11、例えば、LED組立体)および光源に搭載された光源光学系組立体(13)を備えた旋回光源アーム(9)の図である。旋回アーム(9)を(図示されていない)駆動器モータ(12)に接続するための線形スライド(14)、旋回アーム(9)の基部板(18)、ローラ・ベアリング(17)、および、光源(11)を旋回アーム(9)に固定するための光源組立体支持部(19)も同じく示されている。FIG. 3 is a view of a swivel light source arm (9) with a light source (11, eg, an LED assembly) and a light source optical system assembly (13) mounted on the light source. A linear slide (14) for connecting the swivel arm (9) to a driver motor (12) (not shown), a base plate (18) of the swivel arm (9), a roller bearing (17), and A light source assembly support (19) for securing the light source (11) to the swivel arm (9) is also shown. (図示されていない)レンズ組立体の外部ケース(22)、内部、中央部、および、外部のジンバル座(それぞれ23、25、および、27)、補正器板(21)、受動的寒冷フィンガ(26)の両端部、検出器窓(28、例えば、CCD窓)、検出器(24、例えば、CCDカメラ)、および、スロット開口(130)を示す検出器組立体(20)の断面図である。Lens assembly outer case (22), inner, middle and outer gimbal seats (23, 25 and 27, respectively), corrector plate (21), passive cold finger (not shown) 26) is a cross-sectional view of the detector assembly (20) showing both ends of 26), a detector window (28, eg, a CCD window), a detector (24, eg, a CCD camera), and a slot opening (130). . 検出器の(図5に示された外部ケース22内に収容された)レンズ組立体内に所在する検出器光学系の様々な要素の図である。レンズ組立体の要素は対物区間(125)、スロット開口(130)、画像形成区間(125)、補正器板(21)、および、検出器(113、例えば、CCDチップ)の光学感応性要素にすぐに隣接した検出器窓(28)を含む。したがって、レンズ組立体はセンサ(112)と、センサ反射の画像に対する受光器、すなわち、検出器の感知要素(113)との間に挟み込まれている。受動的寒冷フィンガ(図5の26)のレンズ組立体内の要素の位置合わせにおける相対位置は、番号26により示されている。X、Y、および、Zはジンバル座により制御されている検出器組立体の動きの平面を表す。FIG. 6 is a diagram of the various elements of the detector optics located within the lens assembly (accommodated in the outer case 22 shown in FIG. 5) of the detector. The elements of the lens assembly are optically sensitive elements of the objective section (125), slot aperture (130), imaging section (125), corrector plate (21), and detector (113, eg, a CCD chip). Immediately adjacent detector window (28) is included. Accordingly, the lens assembly is sandwiched between the sensor (112) and a light receiver for the sensor reflection image, ie the sensing element (113) of the detector. The relative position in the alignment of the elements in the lens assembly of the passive cold finger (26 in FIG. 5) is indicated by the numeral 26. X, Y, and Z represent the plane of motion of the detector assembly controlled by the gimbal seat. バッファ・コンテナ(50)および試料溶液コンテナ(40)の位置、ならびに、各溶液を、ユニットを介して(センサ112を含む)目標領域に差向け、かつ、元の試料チューブ(40)に、別個の回収チューブ(64)に、または、廃棄物受け器(63)に差向け戻すことができる様々な経路を示す流体力学形の図である。センサは典型的にフロー・セル内に収容され、ユニットの流体力学系との接点となる入力ポートおよび出力ポートを使用して構成されたフロー・セルは、進入ドア(図1の110)を介して光学分析ユニット(100)内に挿入されている変更可能なデバイスである。図7は予備加熱器(38)、四方弁(36)、および、センサ(112)を含む目標領域を包含する保温室(30)の相対位置も示す。The location of the buffer container (50) and the sample solution container (40), as well as directing each solution through the unit to the target area (including the sensor 112) and into the original sample tube (40) FIG. 6 is a hydrodynamic view showing the various paths that can be directed back to the collection tube (64) or to the waste receptacle (63). The sensor is typically housed in a flow cell, and the flow cell constructed using input and output ports that are in contact with the unit's hydrodynamic system is routed through an entry door (110 in FIG. 1). A changeable device inserted in the optical analysis unit (100). FIG. 7 also shows the relative position of the warmer chamber (30) including the target area including the preheater (38), the four-way valve (36), and the sensor (112). 保温室筐体の位置および予備加熱器(38)の位置、(隠されている)四方弁(36)、頂部板組立体(34)、断熱パネル(32)、ならびに、センサ・チップ(112)のための担体を示す本発明による光学分析ユニットの一部分の部分切開斜視図である。The location of the warmer enclosure and the location of the preheater (38), the (hidden) four-way valve (36), the top plate assembly (34), the thermal insulation panel (32), and the sensor chip (112) FIG. 2 is a partially cutaway perspective view of a portion of an optical analysis unit according to the present invention showing a carrier for

Claims (22)

アレイ表面プラズモン共鳴(SPR)分析機器の形態の光学分析機器であって、
(a)反射性SPRセンサアレイと、
(b)前記反射性SPRセンサアレイに平行光ビームを照射して前記反射性センサアレイの反射アレイ像を与え、かつ平行光ビームの入射角をある角度範囲で走査するように構成された光源組立体と、
(c)前記反射性SPRセンサの反射アレイ像を前記角度範囲で受光するように配向された検出器組立体であって、Scheimpflug条件に従ってレンズの光軸に対して傾斜した二次元検出器感知要素と、前記反射性SPRセンサの反射アレイ像を前記傾斜した検出器感知要素上に合焦させるためのレンズ組立体とを含む検出器組立体と
を含んでおり、
前記レンズ組立体が、無限遠に傾斜反射アレイの実像を生成するように構成された対物区間と、それに続いて、傾斜反射アレイの実像を傾斜した検出器感知要素上の傾斜実像に変換する画像形成区間とを含んでいるセンサ画像形成用の二重テレセントリックレンズ組立体であり、前記対物区間と画像形成区間がそれらの間の空隙に位置する共通の中間開口平面を共有していて、角SPR走査長により決定される長さのスロット形開口絞りが挟み込まれている、光学分析機器。
An optical analytical instrument in the form of an array surface plasmon resonance (SPR) analytical instrument,
(A) a reflective SPR sensor array;
(B) A light source set configured to irradiate the reflective SPR sensor array with a parallel light beam to give a reflective array image of the reflective sensor array and to scan the incident angle of the parallel light beam within a certain angle range. Solid,
(C) a detector assembly oriented to receive a reflective array image of the reflective SPR sensor in the angular range, wherein the two-dimensional detector sensing element is tilted with respect to the optical axis of the lens in accordance with a Scheimpflug condition And a detector assembly including a lens assembly for focusing a reflective array image of the reflective SPR sensor onto the tilted detector sensing element;
Objective section configured to produce a real image of the tilted reflective array at infinity, followed by an image for converting the real image of the tilted reflective array into a tilted real image on the tilted detector sensing element. A dual telecentric lens assembly for sensor imaging including a forming section, wherein the objective section and the imaging section share a common intermediate aperture plane located in the air gap therebetween, and the angle SPR An optical analysis instrument in which a slot-type aperture stop having a length determined by a scanning length is sandwiched .
前記レンズ組立体が補正器板を含む、請求項1に記載の光学分析機器。  The optical analysis instrument of claim 1, wherein the lens assembly includes a corrector plate. 前記レンズ組立体が受動的寒冷フィンガを含む、請求項1に記載の光学分析機器。  The optical analysis instrument of claim 1, wherein the lens assembly includes a passive cold finger. 前記感知要素がCCDチップである、請求項1に記載の光学分析機器。  The optical analysis instrument of claim 1, wherein the sensing element is a CCD chip. 前記反射性SPRセンサが格子結合表面プラズモン共鳴(SPR)センサである、請求項1に記載の光学分析機器。  The optical analysis instrument of claim 1, wherein the reflective SPR sensor is a grating coupled surface plasmon resonance (SPR) sensor. 前記光源組立体が、光源と、前記光源から放射される光をコリメートするための光源光学系とを含む、請求項1に記載の光学分析機器。  The optical analyzer according to claim 1, wherein the light source assembly includes a light source and a light source optical system for collimating light emitted from the light source. 前記光源が1つ又は複数の発光ダイオード(LED)である、請求項に記載の光学分析機器。The optical analysis instrument of claim 6 , wherein the light source is one or more light emitting diodes (LEDs). 前記光源が狭い帯域の波長を発光するLEDである、請求項に記載の光学分析機器。The optical analysis instrument according to claim 7 , wherein the light source is an LED that emits a narrow band of wavelengths. 前記1つ又は複数のLEDがプラスチック材料に被包され、かつ、前記プラスチック材料が、前記プラスチック材料により引き起こされる光学歪みを最小に抑えるために、光学定に平坦であるか、又は光学的に平坦にされている、請求項に記載の光学分析機器。The one or more LEDs are encapsulated in a plastic material, and the plastic material is optically flat or optically flat to minimize optical distortion caused by the plastic material. The optical analysis instrument according to claim 7 , wherein 前記光源組立体が、平行光ビームの入射角をある角度範囲で走査するため旋回可能な旋回アームに設けられている、請求項1に記載の光学分析機器。  The optical analysis instrument according to claim 1, wherein the light source assembly is provided on a pivot arm that is pivotable to scan an incident angle of the parallel light beam in a certain angle range. 前記旋回アームの旋回軸が前記反射性SPRセンサアレイのほぼ中心にある、請求項10に記載の光学分析機器。The optical analysis instrument according to claim 10 , wherein the pivot axis of the pivot arm is substantially at the center of the reflective SPR sensor array. 前記光源から放射される光ビームが、前記光源光学系の中心軸からずらされている、請求項に記載の光学分析機器。The optical analysis instrument according to claim 6 , wherein the light beam emitted from the light source is shifted from a central axis of the light source optical system. 前記光ビームが2度の横方向ビームスキューを与えるように前記光源光学系の中心軸からずらされている、請求項12に記載の光学分析機器。13. The optical analysis instrument according to claim 12 , wherein the light beam is offset from a central axis of the light source optical system so as to give a transverse beam skew of 2 degrees. 前記光源光学系が固定され、前記光源が、平行光ビームの入射角をある角度範囲で走査するため可動である、請求項に記載の光学分析機器。The optical analysis instrument according to claim 6 , wherein the light source optical system is fixed, and the light source is movable so as to scan an incident angle of a parallel light beam in a certain angle range. 前記光源光学系及び光源が固定されていて、前記光源が、平行光ビームの入射角をある角度範囲で走査するための旋回可能なミラーに光を当てるように構成されている、請求項に記載の光学分析機器。The light source optical system and the light source is fixed, the light source is configured to illuminate the pivotable mirror for scanning at an angle range of the incident angle of the parallel light beam, to claim 6 The optical analysis instrument described. 前記光源光学系が固定されていて、前記光源光学系が、平行光ビームの入射角をある角度範囲で走査するため順次照明することができる光源光学系の線形アレイからなる、請求項に記載の光学分析機器。Wherein optionally the light source optical system is fixed, the light source optical system is comprised of a linear array of light source optical system that can be sequentially illuminated for scanning at an angle range of the incident angle of the parallel light beam, according to claim 6 Optical analysis equipment. (g)流体力学系であって、
(i)1つ又は複数の溶液貯蔵槽及び/又は溶液投入接続部と、
(ii)前記1つ又は複数の貯蔵槽及び/又は投入接続部を前記目標領域に接続する供給チューブ配管と、
(iii)廃棄物受け器、溶液貯蔵槽、回収コンテナ、及び、目標領域のグループから選択された1つ又は複数の要素に前記目標領域を接続する除去チューブ配管と、
(iv)前記供給及び除去のチューブ配管を介して流体を推進するための1つ又は複数のポンプとを含む流体力学系をさらに含む、請求項1に記載の光学分析機器。
(G) a hydrodynamic system,
(I) one or more solution storage tanks and / or solution input connections;
(Ii) supply tube piping connecting the one or more storage tanks and / or input connections to the target area;
(Iii) a waste receptacle, a solution reservoir, a collection container, and a removal tube line connecting the target area to one or more elements selected from the group of target areas;
The optical analysis instrument of claim 1, further comprising a fluid dynamics system comprising (iv) one or more pumps for propelling fluid through the supply and removal tubing.
前記流体力学系(g)が、捕らえられた空気泡を前記流体力学系から水流洗浄するための気泡破裂手段をさらに含む、請求項17に記載の光学分析機器。The optical analysis instrument according to claim 17 , wherein the hydrodynamic system (g) further includes bubble bursting means for water-washing trapped air bubbles from the hydrodynamic system. 前記流体力学系の一部及び前記目標領域が保温室内に収容されている、請求項17に記載の光学分析機器。The optical analysis instrument according to claim 17 , wherein a part of the hydrodynamic system and the target area are accommodated in a greenhouse. 前記目標領域に伝達される流体の温度が1つ又は複数の受動的熱交換器を使用して制御される、請求項19に記載の光学分析機器。20. The optical analysis instrument of claim 19 , wherein the temperature of the fluid transferred to the target area is controlled using one or more passive heat exchangers. 前記降温装置が一連の区分された受動的熱交換器を含む、請求項20に記載の光学分析機器。21. The optical analysis instrument of claim 20 , wherein the cooling device comprises a series of segmented passive heat exchangers. 前記目標領域に伝達される流体の温度が1つ又は複数の能動的加熱又は冷却ループを使用して制御される、請求項19に記載の光学分析機器。20. The optical analysis instrument of claim 19 , wherein the temperature of the fluid transferred to the target area is controlled using one or more active heating or cooling loops.
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